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1. I/O 모델의 이해​

1.1 기본 개념​

모든 I/O 작업은 두 단계로 이루어집니다:

  1. 데이터 준비 단계
    • 커널이 데이터를 준비하는 과정
    • 디스크 읽기, 네트워크 패킷 수신 등
    • 시간이 오래 걸릴 수 있는 작업
  2. 데이터 복사 단계
    • 준비된 데이터를 커널 공간에서 유저 공간으로 복사
    • 메모리 복사 작업
    • 상대적으로 빠른 작업

이 두 단계에서 프로세스가 어떻게 대기하고, 어떻게 완료를 확인하는지에 따라 I/O 모델이 구분됩니다.

1.2 분류 기준​

1.2.1 프로세스의 대기 방식​

  • 블로킹(Blocking)
    • 프로세스가 I/O 작업 동안 대기
    • 작업이 완료될 때까지 다음 명령어를 실행하지 않음
    • 자원 사용은 적지만 응답성이 떨어짐
  • 논블로킹(Non-blocking)
    • 프로세스가 I/O 작업과 관계없이 계속 실행
    • I/O 작업의 진행 상태를 주기적으로 확인
    • 더 나은 응답성을 제공하지만 자원을 더 많이 사용

1.2.2 작업 완료 확인 방식​

  • 동기(Synchronous)
    • 프로세스가 직접 I/O 완료를 확인
    • 명시적인 I/O 완료 체크 필요
    • 프로세스가 I/O 작업의 결과를 즉시 처리
  • 비동기(Asynchronous)
    • 커널이 I/O 완료를 프로세스에 통지
    • 완료 시 콜백이나 시그널로 알림
    • 프로세스가 I/O 완료를 신경쓰지 않아도 됨

이러한 기준들의 조합으로 네 가지 주요 I/O 모델이 만들어집니다.

2. 블로킹 I/O (Blocking I/O)​

blocking-io

1.1 동작 과정​

  1. 시스템 콜 호출
    • 애플리케이션이 recvfrom() 호출
    • 제어권이 커널로 넘어감
    • 프로세스는 블로킹 상태로 진입
  2. 데이터 대기
    • 커널이 데이터 준비될 때까지 대기
    • 이 시간 동안 프로세스는 계속 블로킹
    • 프로세스는 다른 작업을 전혀 수행할 수 없음
  3. 데이터 복사 및 반환
    • 데이터가 준비되면 커널 공간에서 유저 공간으로 복사
    • 복사가 완료되면 시스템 콜이 반환됨
    • 프로세스는 데이터 처리 시작

2. 논블로킹 I/O (Non-blocking I/O)​

non-blocking-io

2.1 동작 과정​

  1. 즉시 반환되는 시스템 콜
    • 애플리케이션이 recvfrom() 호출 (O_NONBLOCK 플래그 설정)
    • 데이터가 준비되지 않았다면 EWOULDBLOCK 에러와 함께 즉시 반환
    • 프로세스는 계속 다른 작업 수행 가능
  2. 반복적인 확인
    • 프로세스가 주기적으로 recvfrom() 재호출
    • 매번 EWOULDBLOCK으로 반환될 수 있음
    • 이런 반복적 확인을 "폴링(polling)"이라고 함
  3. 데이터 처리
    • 데이터가 준비되면 마지막 recvfrom() 호출에서 데이터 복사
    • 복사가 완료되면 프로세스가 데이터 처리

3. I/O 멀티플렉싱 (I/O Multiplexing)​

io-multiplexing

3.1 동작 과정​

  1. 감시 시작
    • select() 시스템 콜 호출
    • 여러 파일 디스크립터를 한 번에 모니터링
    • select() 호출 동안은 프로세스 블로킹
  2. 데이터 준비 통지
    • 커널이 데이터 준비되었음을 알림
    • select()가 "readable" 상태로 반환
    • 어떤 파일 디스크립터가 준비되었는지 정보 제공
  3. 실제 데이터 읽기
    • 준비된 파일 디스크립터에 대해 recvfrom() 호출
    • 데이터를 커널에서 유저 공간으로 복사
    • 복사가 완료되면 프로세스가 데이터 처리

3.2 주요 시스템 콜​

  • select, poll, epoll, kqueue 등의 시스템 콜이 있습니다.
  • select와 poll은 O(n) 복잡도로 성능 이슈가 있습니다.
  • epoll은 O(1) 복잡도로 더 효율적입니다.
  • kqueue는 macOS와 FreeBSD에서 사용되는 시스템 콜입니다.
  • 자세한 내용은 IO Multifexing 참고

4. 비동기 I/O (Asynchronous I/O)​

async-io

4.1 동작 과정​

  1. 비동기 요청
    • aio_read() 시스템 콜 호출
    • 즉시 반환되어 프로세스는 다른 작업 수행
    • 커널에 읽기 작업 등록
  2. 백그라운드 처리
    • 커널이 독립적으로 데이터 준비
    • 데이터가 준비되면 커널이 복사까지 수행
    • 이 모든 과정에서 프로세스는 자유롭게 다른 작업 수행
  3. 완료 통지
    • 모든 I/O 작업(준비+복사)이 완료되면
    • 시그널 또는 콜백으로 프로세스에 통지
    • 프로세스는 이미 복사된 데이터 즉시 사용 가능

4.2 주요 시스템 콜​

  • POSIX AIO
    • aio_read(), aio_write() 등 제공
    • 유저 스페이스 구현이 많음
    • 디스크 I/O 성능 제한적
    • 네트워크 I/O에는 거의 사용되지 않음
  • Linux io_uring (커널 5.1+)
    • 최신 비동기 I/O 인터페이스
    • 제로 카피 지원
    • 공유 링 버퍼로 효율적 통신
    • 다양한 I/O 작업 지원
      • 읽기/쓰기
      • 네트워크 연결
      • 파일 시스템 작업
    • 배치 처리 가능
  • 자세한 내용은 Asynchronous I/O 참고

5. 모델 별 주요 차이점​

5.1 프로세스 블로킹 관점​

  1. 블로킹 I/O
    • 데이터 준비 단계: 블로킹
    • 데이터 복사 단계: 블로킹
  2. 논블로킹 I/O
    • 데이터 준비 단계: 논블로킹 (폴링)
    • 데이터 복사 단계: 블로킹
  3. I/O 멀티플렉싱
    • 데이터 준비 단계: 여러 fd 동시 감시하며 블로킹
    • 데이터 복사 단계: 블로킹
  4. 비동기 I/O
    • 데이터 준비 단계: 논블로킹
    • 데이터 복사 단계: 논블로킹

5.2 사용 사례​

  1. 블로킹 I/O
    • 단순한 클라이언트 프로그램
    • 연결 수가 적은 서버
  2. 논블로킹 I/O
    • 실시간성이 중요한 애플리케이션
    • 폴링 오버헤드를 감당할 수 있는 경우
  3. I/O 멀티플렉싱
    • 대부분의 현대적 서버 (nginx, redis 등)
    • 많은 동시 연결을 처리해야 하는 경우
    • Node.js의 이벤트 루프
  4. 비동기 I/O
    • 고성능 데이터베이스 시스템
    • 과학 계산 애플리케이션
팁

리눅스의 AIO가 가진 제한사항으로 인해, 대부분의 고성능 서버는 비동기 I/O 대신 epoll 기반의 I/O 멀티플렉싱을 사용합니다. epoll은 select의 한계(1024 fd 제한, O(n) 복잡도)를 극복한 더 효율적인 I/O 멀티플렉싱 메커니즘입니다.