這樣講解Linux的五種io模型，應(yīng)該通俗易懂

今天分享Linux系統(tǒng)的io模型。Linux總共有5種io模型，分別是：

• blocking IO 阻塞IO模型
• On Blocking IO 非阻塞IO模型
• IO multiplexing 多路復(fù)用IO模型
• singnal dirven 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型
• asyn 異步IO模型

我們首先來(lái)了解一下幾個(gè)基本的概念：

• 阻塞：阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會(huì)被掛起（線程進(jìn)入非可執(zhí)行狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，cpu不會(huì)給線程分配時(shí)間片，即線程暫停運(yùn)行）。函數(shù)只有在得到結(jié)果之后才會(huì)返回。換成一句白話，可以這樣說(shuō)：調(diào)用我（函數(shù)），我（函數(shù)）沒(méi)有接收完數(shù)據(jù)或者沒(méi)有得到結(jié)果之前，我不會(huì)返回。
• 非阻塞：非阻塞和阻塞的概念相對(duì)應(yīng)，指在不能立刻得到結(jié)果之前，該函數(shù)不會(huì)阻塞當(dāng)前線程，而會(huì)立刻返回。換成一句白話，可以這樣說(shuō)：調(diào)用我（函數(shù)），我（函數(shù)）立即返回，通過(guò)select通知調(diào)用者
• 同步：所謂同步，就是在發(fā)出一個(gè)功能調(diào)用時(shí)，在沒(méi)有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回。也就是必須一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事。換成一句白話，可以這樣說(shuō)：我調(diào)用一個(gè)功能，該功能沒(méi)有結(jié)束前，我死等結(jié)果。
• 異步：異步的概念和同步相對(duì)。當(dāng)一個(gè)異步過(guò)程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實(shí)際處理這個(gè)調(diào)用的部件在完成后，通過(guò)狀態(tài)、通知和回調(diào)來(lái)通知調(diào)用者。換成一句白話，可以這樣說(shuō)：我調(diào)用一個(gè)功能，不需要知道該功能結(jié)果，該功能有結(jié)果后通知我（回調(diào)通知）

阻塞IO

簡(jiǎn)單看下執(zhí)行流程：

流程：在整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核就開(kāi)始了I/O的第一個(gè)階段，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中，當(dāng)數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備完成后，則將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)中拷貝到用戶(hù)進(jìn)程的內(nèi)存中，這時(shí)用戶(hù)進(jìn)程才解除block的狀態(tài)重新運(yùn)行。

非阻塞IO模型

通過(guò)上圖流程圖，大致經(jīng)歷兩個(gè)階段：

• 等待數(shù)據(jù)階段：未阻塞， 用戶(hù)進(jìn)程需要盲等，不停的去輪詢(xún)內(nèi)核。
• 數(shù)據(jù)復(fù)制階段：阻塞，此時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。在這兩個(gè)階段中，用戶(hù)進(jìn)程只有在數(shù)據(jù)復(fù)制階段被阻塞了，而等待數(shù)據(jù)階段沒(méi)有阻塞，但是用戶(hù)進(jìn)程需要盲等，不停地輪詢(xún)內(nèi)核，看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。

IO多路復(fù)用

從上圖可以看到在I/O復(fù)用模型中，由于同步非阻塞方式需要不斷主動(dòng)輪詢(xún)，輪詢(xún)占據(jù)了很大一部分過(guò)程，輪詢(xún)會(huì)消耗大量的CPU時(shí)間，而 “后臺(tái)” 可能有多個(gè)任務(wù)在同時(shí)進(jìn)行，

相比于阻塞IO模型，多路復(fù)用只是多了一個(gè)select/poll/epoll函數(shù)。select函數(shù)會(huì)不斷地輪詢(xún)自己所負(fù)責(zé)的文件描述符/套接字的到達(dá)狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)套接字就緒時(shí)，就對(duì)這個(gè)套接字進(jìn)行處理。select負(fù)責(zé)輪詢(xún)等待，recvfrom負(fù)責(zé)拷貝。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用該select，select會(huì)監(jiān)聽(tīng)所有注冊(cè)好的IO，如果所有IO都沒(méi)注冊(cè)好，調(diào)用進(jìn)程就阻塞。

對(duì)于客戶(hù)端來(lái)說(shuō)，一般感受不到阻塞，因?yàn)檎?qǐng)求來(lái)了，可以用放到線程池里執(zhí)行；但對(duì)于執(zhí)行select的操作系統(tǒng)而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某個(gè)套接字變?yōu)榭勺x。

IO多路復(fù)用其實(shí)是阻塞在select，poll，epoll這類(lèi)系統(tǒng)調(diào)用上的，復(fù)用的是執(zhí)行select，poll，epoll的線程。

從整個(gè)IO過(guò)程來(lái)看，他們都是順序執(zhí)行的，因此可以歸為同步模型(synchronous)。都是進(jìn)程主動(dòng)等待且向內(nèi)核檢查狀態(tài)。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO

從上圖可以看出，只有在I/O執(zhí)行的第二階段阻塞了用戶(hù)進(jìn)程，而在第一階段是沒(méi)有阻塞的。該模型在I/O執(zhí)行的第一階段，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，會(huì)主動(dòng)的通知用戶(hù)進(jìn)程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，即對(duì)用戶(hù)進(jìn)程做一個(gè)回調(diào)。該通知分為兩種，一為水平觸發(fā)，即如果用戶(hù)進(jìn)程不響應(yīng)則會(huì)一直發(fā)送通知，二為邊緣觸發(fā)，即只通知一次。

該模型也分為兩個(gè)階段：

• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：未阻塞，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，會(huì)主動(dòng)的通知用戶(hù)進(jìn)程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，對(duì)用戶(hù)進(jìn)程做一個(gè)回調(diào)。
• 數(shù)據(jù)拷貝階段：阻塞用戶(hù)進(jìn)程，等待數(shù)據(jù)拷貝。

異步IO

就是用戶(hù)進(jìn)程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，立刻就可以開(kāi)始去做其他的事情，然后直到I/O數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并復(fù)制完成后，內(nèi)核會(huì)給用戶(hù)進(jìn)程發(fā)送通知，告訴用戶(hù)進(jìn)程操作已經(jīng)完成了。

特點(diǎn)：

• 異步I/O執(zhí)行的兩個(gè)階段都不會(huì)阻塞讀寫(xiě)操作，由內(nèi)核完成。
• 完成后內(nèi)核將數(shù)據(jù)放到指定的緩沖區(qū)，通知應(yīng)用程序來(lái)取。

總結(jié)

• 阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的過(guò)程中,進(jìn)程是否阻塞。

• 同步IO和異步IO的區(qū)別：數(shù)據(jù)拷貝的過(guò)程中,進(jìn)程是否阻塞。

• 從效率上來(lái)說(shuō)，可以簡(jiǎn)單理解為阻塞IO<非阻塞IO<多路復(fù)用IO<信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO<異步IO。從同步和異步來(lái)說(shuō)，只有異步IO模型是異步的，其他均為同步。