IO面试

面试学习笔记1 - IO

IO

• sendfile
• mmap
• selector epoll
• 等等

CPU保护模式（内核 kernal）

• kernal也是一个文件，也是一个进程
• Linux GDT：Global Descriptor Table 段机制，划分内核空间与用户空间，叫最高的1G空间划分为内核空间
• 保护模式:用户空间读取的指令不能访问内核空间
• 类似的Windwos 分级保护域
  • ring0：操作系统使用
  • ring1， ring2
  • ring3：用户空间，一般程序使用
• 一般进程如果要调用内核指令，需要用systemcall由用户态切换至内核态（x80软中断）， 如IO操作（systemcall.read）等
• 中断
  • 软中断：x80软中断，态切换
  • 硬终端：键盘，鼠标，磁盘等IO中断;时钟中断：晶振，震荡
• Linux一切接皆文件，所有IO输入输出都会生成File Descripter(fd)

BIO,NIO, AIO

创建网络连接

1. socket：创建socket连接，系统中生成新的fd
2. bind：绑定端口，接受连接
3. listen：监听端口的连接
4. accept：接受请求的连接
5. read：读取报文内容

BIO: Bloking IO

• 原先的IO模型是阻塞同步的IO模型， systemcall中的socket和read方法都会阻塞，详见 man 2 socket
• 因此为了支持多客户连接，原先的IO模型，都是一个socket对应一个线程
• 优点：并发连接小于1000时，BIO很适合，可以专注业务实现
• 缺点：无法支持C10K，
  • 每个线程都需要分配独立的内存空间，
  • CPU频繁调度线程，系统资源无法支持

NIO：Non-Blocking IO

无多路复用

• Kernal的发展，出现了Non-Blocking非阻塞的Socket创建方式
• 创建新的Socket连接时，可支持创建新的fd，可在一个线程中创建多个Socket连接
• 线程中遍历轮询所有连接，尝试调用systemcall.read读取连接报文
• 优点：解决了每个Socket必须需要创建一个线程的问题
• 缺点：
  • 轮询所有连接时，需要频繁切换用户态和内核态，CPU压力大
  • 大量连接存在时，可能只有很少一部分的连接需要读取，浪费资源

多路复用

• 内核再向前发展，出现了多路复用器
• 多路复用器的作用就是可以在内核态中遍历socket连接状态，返回状态为ready的fds
• 优点：将遍历全部放在内核态中，减少了态切换

Linux 中有下面几种多路复用器

• select
  • 接受所有的fds列表，返回状态为ready的fds
  • 单个进程能够监控的fd文件数量有1024的限制，因为内核中使用一个1024位的bitmap来管理线程
  • 如要修改该限制，需要重新编译内核
  • select方法阻塞，指导有数据就绪（可读、可写、except）或者超时
  • 缺点：
    • 每次都需要全量遍历fds
    • 线程每次都需要重复向内核传输、返回fds，数据拷贝成本
• poll
  • 类似select，但是没有1024的限制，使用pollfd指针（链表）保存fds状态
• epoll
  • 在内核中开辟一个可以与内核态、用户态互访的空间 mmap，保存socket fd
  • epoll_create()，生成一个新的epfd保存soecket连接的fds
  • epoll_ctl()，添加、删除、修改epoll_create创建的epfd中保存的fds及其需要监听的实践
  • epoll_wait()，等待epfd上返回的IO事件，该方法阻塞

AIO： Asynchronous IO

之前的几种IO模型，读取 read 无论如何都是同步的。AIO实现了非阻塞异步IO。但是AIO的使用并不广泛，只有Windows-IOCP能够实现。允许内核持有线程，拷贝数据到程序的内存空间。

零拷贝

原始的通信方式 read-write，频繁地系统调用及数据拷贝

1. read: jvm向内核发送read命令
2. read: kernal从文件中读取数据，数据读取至kernal
3. read: kernal返回数据，数据从kernal拷贝至jvm
4. write：jvm向内核发送write命令，将数据拷贝至kernal
5. write：kernal将数据发送给socket，数据拷贝至socket fd

零拷贝，内核增加了 sendfile 方法，实现fd之间的数据交换

1. sendfile: jvm向内核发送sendfile命令
2. sendfile: kernal从文件中读取数据，数据读取至kernal
3. sendfile：kernal将数据发送给socket，数据发送至socket fd

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最后编辑时间为: 2020/08/02 17:09