Основные методы ввода-вывода (I/O)

Начинающему разработчику зачастую сложно разобраться в средствах ввода-вывода (I/O), поскольку присутствует небольшая путаница в определении различий этих способов. В данном материале попробуем заполнить этот пробел и разобраться в классификации основных типов ввода-вывода.

I/O в аппаратном обеспечении

В современных операционных системах средства ввода-вывода представляют собой способы взаимодействия между обработчиком информации и внешним миром. Сюда можно отнести чтение или запись файлов на жёсткий диск или SSD, отправку и получение данных по сети, отображение информации на мониторе и получение ввода с мыши и клавиатуры.

Способы взаимодействия современных ОС с периферийными устройствами зависят от типа устройства, возможностей прошивки и аппаратного обеспечения. Можно считать, что периферия может обрабатывать несколько запросов одновременно. То есть время последовательного взаимодействия прошло. В этом смысле все взаимодействия устройств ввода-вывода с процессором асинхронны и находятся на стороне аппаратного обеспечения.

Такой асинхронный механизм называется аппаратным прерыванием. В простом случае, процессор отправляет запрос к внешнему устройству и начинает бесконечный цикл, в котором он каждый раз запрашивает у периферии, готовы ли данные, которые процессор мог бы считать, и ждёт в цикле, пока периферия не выдаст ему эти данные. Этот метод ввода-вывода называется методом опроса поскольку процессор должен постоянно проверять состояние периферии.

На самом деле, на современном оборудовании процессор просит периферию выполнить действие и забывает о нём, продолжая обрабатывать другие инструкции. Как только устройство завершит свою работу, оно сообщает об этом процессору, вызывая прерывание. Это происходит на уровне аппаратного обеспечения, и при этом процессору никогда не приходится ожидать или опрашивать периферию, что освобождает его для другой работы, пока периферия сама не сообщит о своей готовности.

I/O в программном обеспечении

В среде программного обеспечения существует большое количество видов ввода и вывода: блокирующий, неблокирующий, мультиплексированный и асинхронный. Давайте рассмотрим их по очереди.

Блокирующий метод

Помните, что любая пользовательская программа запускается внутри процесса, а код выполняется в контексте потока? Предположим, вы пишете программу, которой нужно читать информацию из файла. С блокирующим вводом-выводом вы просите ОС «усыпить» ваш поток и «разбудить» его только после того, как данные из файла будут доступны для чтения.

То есть блокирующий ввод-вывод называется так, потому что поток, который его использует, блокируется и переходит в режим ожидания, пока ввод-вывод не будет завершён.

Неблокирующий метод

Проблема метода блокировки заключается в том, что поток будет спать, пока ввод-вывод не завершится. Поток не сможет выполнять никаких других задач, кроме ожидания завершения ввода-вывода. Иногда вашей программе больше и не надо ничего делать. В противном случае во время ожидания ввода-вывода было бы полезно выполнять другие задачи.

Один из способов осуществить это — использовать неблокирующий ввод-вывод. Его идея заключается в том, что когда программа делает вызов на чтение файла, ОС не будет блокировать поток, а просто вернёт ей либо готовые данные, либо информацию о том, что ввод-вывод ещё не закончен. Это не заблокирует поток, но программе придётся позже проверять, завершён ли ввод-вывод. Это означает, что ПО может по-разному реагировать в зависимости от того, завершён ли ввод-вывод и выполнять другие задачи. Когда же программе снова понадобится ввод-вывод, она сможет повторно попробовать прочесть содержимое файла, и если ввод-вывод завершён, то получит содержимое файла. В противном случае ПО снова получит сообщение о том, что операция ещё не завершена и сможет заняться другими задачами.

Мультеплексированный метод

Проблема с неблокирующим вводом-выводом в том, что с ним не удобно работать, если задачи, которые выполняет программа, ожидая ввода-вывода, сами из себя представляют другой ввод-вывод.

Хорошо, если ПО просит ОС прочитать содержимое из файла А, после чего выполняет какие-нибудь сложные вычисления. Затем проверяет, завершилось ли чтение файла А, и если да, то просто продолжает ту работу, для которой нужно было содержимое файла, а иначе снова выполняет некоторое количество сложных вычислений и так далее.

Но что, если программе не нужно выполнять сложные вычисления? Ей просто нужно прочесть файл A и одновременно файл B. Пока ПО ожидает завершения обработки файла А, оно делает неблокирующий вызов чтения содержимого файла В. Во время ожидания обработки программе больше нечего делать, потому она входит в бесконечный цикл опроса, проверяя, готово ли A и готово ли B, снова и снова. Это либо нагрузит процессор проверками состояния ваших неблокирующих вызовов, либо вам придётся вручную добавить какое-то произвольное время, которое ваш поток будет «спать», а значит, программа немного позже заметит, что ввод-вывод готов, что отрицательно скажется на пропускной способности ПО.

Во избежание этого можно использовать мультиплексированный ввод-вывод. Он тоже блокирует поток на операциях ввода-вывода, но вместо того, чтобы производить блокировку по очереди, вы можете запланировать все операции ввода-вывода, которые вам нужно сделать, и блокировать их все. Операционная система разбудит поток, когда какая-нибудь из операций завершится. В некоторых реализациях мультиплексированного ввода-вывода можно даже точно указать, что вы хотите, чтобы поток разбудили, только когда заданный набор операций ввода-вывода будет завершён, например, когда файлы A и C, или файлы B и D будут готовы.

Таким образом ПО делает неблокирующий вызов чтения файла A, потом неблокирующий вызов чтения файла B, и наконец говорит ОС: усыпи мой поток, и разбуди его, когда A и B будут оба готовы, или когда один из них будет готов.

Асинхронный метод

Проблема мультиплексированного ввода-вывода в том, что поток всё-таки спит, пока ввод-вывод не будет готов для обработки. Для многих программ это подходит, поскольку у них нет других задач, пока они ждут завершения операций ввода-вывода. Но иногда у них есть и другие задачи.

Например, ПО вычисляет цифры числа π и одновременно суммирует значения из нескольких файлов. Вам хотелось бы запланировать все операции чтения файлов, пока программа ждёт их выполнения, вычислять цифры числа π. Когда какой-нибудь из файлов будет прочитан, ПО прибавит записанное в нём значение и продолжит вычислять цифры числа π дальше, пока ещё один файл не будет прочитан.

Чтобы это работало, нужно, чтобы ваше вычисление цифр числа π могло быть прервано вводом-выводом, когда он завершается. Это можно сделать с помощью обратных вызовов, связанных с событиями. Вызов на чтение принимает функцию обратного вызова и возвращается немедленно. Когда ввод-вывод завершается, операционная система остановит ваш поток и выполнит обратный вызов. Когда обратный вызов завершится, система возобновит работу вашего потока.

Чтение по теме: Асинхронное программирование в Python

Многопоточность или однопоточность?

Вы, наверно, заметили, что все вышеописанные способы ввода-вывода работают в рамках одного потока, главного потока вашего приложения. На самом деле, для выполнения ввода-вывода не требуется отдельный поток, поскольку, как вы видели в начале статьи, вся периферия выполняет ввод-вывод асинхронно. Поэтому и возможно делать блокирующий, неблокирующий, мультиплексированный и асинхронный ввод-вывод в однопоточной модели и одновременный ввод-вывод может работать без поддержки многопоточности.

Но обработка результатов операций ввода-вывода может быть и многопоточной. Это позволяет программе делать одновременные вычисления поверх одновременного ввода-вывода. Так что, ничто не мешает вам совмещать многопоточность и эти механизмы ввода-вывода.

В самом деле, есть пятый популярный метод ввода-вывода, который требует многопоточности. Его часто путают с неблокирующим или асинхронным, поскольку он похож по интерфейсу на те два. Он работает просто: он использует блокирующий ввод-вывод, но каждый блокирующий вызов делается в отдельном потоке. В зависимости от реализации, вызов либо принимает функцию обратного вызова, либо использует модель опроса, как если он возвращает Future.