【死磕NIO】— 阻塞IO，非阻塞IO，IO復(fù)用，信號驅(qū)動IO，異步IO，這你真的分的清楚嗎？
通過上篇文章（【死磕NIO】— 阻塞、非阻塞、同步、異步，傻傻分不清楚），我想你應(yīng)該能夠區(qū)分了什么是阻塞、非阻塞、異步、非異步了，這篇文章我們來徹底弄清楚什么是阻塞IO，非阻塞IO，IO復(fù)用，信號驅(qū)動IO，異步IO。
要想徹底弄清楚這五種IO模型，我們需要先弄清楚幾個基本概念。
基本概念
什么是IO
什么是IO？維基百科上面是這樣解釋的：
I/O（英語：Input/Output），即輸入／輸出，通常指數(shù)據(jù)在存儲器（內(nèi)部和外部）或其他周邊設(shè)備之間的輸入和輸出，是信息處理系統(tǒng)（例如計算機）與外部世界（可能是人類或另一信息處理系統(tǒng)）之間的通信。輸入是系統(tǒng)接收的信號或數(shù)據(jù)，輸出則是從其發(fā)送的信號或數(shù)據(jù)。
這是IO一個完整的定義，不是特別好理解，要厘清IO這個概念，我們需要從如下兩個視角來理解它。
計算機視角理解IO
馮?諾伊曼計算機的基本思想中有提到計算機硬件組成應(yīng)為五大部分：控制器，運算器，存儲器，輸入和輸出。其中輸入是指將數(shù)據(jù)輸入到計算機的設(shè)備，輸出是指從計算機中獲取數(shù)據(jù)的設(shè)備。對于計算機而言，任何涉及到計算機核心（CPU和內(nèi)存）與其他設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的過程就是IO。
IO 對于計算機而言，有兩層意思：
IO 設(shè)備。比如我們最常見的打印機、鼠標(biāo)、鍵盤 對IO設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫
程序視角理解IO
程序視角我們關(guān)注的則是應(yīng)用程序本身。我們知道應(yīng)用程序只有加載到內(nèi)存中作為一個進(jìn)程才能運行，它需要時刻與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，比如讀寫磁盤、遠(yuǎn)程調(diào)用、訪問內(nèi)存等等，但是操作系統(tǒng)為了能夠正常平穩(wěn)地運行下去，它是不會運行應(yīng)用程序隨意訪問計算機硬件部分，如內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡，應(yīng)用程序必須通過操作系統(tǒng)提供的API來訪問，以達(dá)到安全的訪問控制。所以應(yīng)用程序如果要訪問內(nèi)核管理的IO，則必須通過有操作系統(tǒng)提供的API來間接訪問。所以 IO對應(yīng)應(yīng)用程序而言，強調(diào)的則是 通過向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用完成對I/O的間接訪問。
所以，換句話說應(yīng)用程序發(fā)起一次IO訪問是分為兩個階段的：
IO 調(diào)用階段：應(yīng)用程序向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用。 IO執(zhí)行階段：內(nèi)核執(zhí)行IO操作并返回。 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：內(nèi)核等待IO設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)拷貝階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間緩沖區(qū)
用戶空間&內(nèi)核空間
操作系統(tǒng)是利用CPU 指令來計算和控制計算機系統(tǒng)的，有些指令很溫和，我們操作它不會對操作系統(tǒng)產(chǎn)生什么危害，而有些指令則非常危險，如果使用不當(dāng)則會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，如果操作系統(tǒng)允許所有的應(yīng)用程序能夠直接訪問這些很危險的指令，這會讓計算機大大增加崩潰的概率。所以操作系統(tǒng)為了更加地保護(hù)自己，則將這些危險的指令保護(hù)起來，不允許應(yīng)用程序直接訪問。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)都是采用虛擬存儲器，操作系統(tǒng)為了保護(hù)危險指令被應(yīng)用程序直接訪問，則將虛擬空間劃分為內(nèi)核空間和用戶空間。
內(nèi)核空間則是操作系統(tǒng)的核心，它提供操作系統(tǒng)的最基本的功能，是操作系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。 用戶空間，非內(nèi)核應(yīng)用程序則運行在用戶空間。用戶空間中的代碼運行在較低的特權(quán)級別上，只能看到允許它們使用的部分系統(tǒng)資源，并且不能使用某些特定的系統(tǒng)功能，也不能直接訪問內(nèi)核空間和硬件設(shè)備，以及其他一些具體的使用限制。
進(jìn)行空間劃分后，用戶空間通過操作系統(tǒng)提供的API間接訪問操作系統(tǒng)的內(nèi)核，提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。
想要詳細(xì)了解Linux 內(nèi)核空間和用戶空間，則可以關(guān)注如下兩篇文章：
https://cloud.tencent.com/developer/article/1739264 https://developer.aliyun.com/article/297062
用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)進(jìn)程切換
內(nèi)核態(tài): CPU可以訪問內(nèi)存所有數(shù)據(jù), 包括外圍設(shè)備, 例如硬盤,、網(wǎng)卡，CPU也可以將自己從一個程序切換到另一個程序。 用戶態(tài): 只能受限的訪問內(nèi)存, 且不允許訪問外圍設(shè)備。占用CPU的能力被剝奪, CPU資源可以被其他程序獲取。
我們知道CPU為了保護(hù)操作系統(tǒng)，將空間劃分為內(nèi)核空間和用戶空間，進(jìn)程既可以在內(nèi)核空間運行，也可以在用戶空間運行。當(dāng)進(jìn)程運行在內(nèi)核空間時，它就處在內(nèi)核態(tài)，當(dāng)進(jìn)程運行在用戶空間時，他就是用戶態(tài)。開始所有應(yīng)用程序都是運行在用戶空間的，這個時候它是用戶態(tài)，但是它想做一些只有內(nèi)核空間才能做的事情，如讀取IO，這個時候進(jìn)程需要通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問內(nèi)核空間，進(jìn)程則需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)核態(tài)。
用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換開銷有點兒大，那它開銷在哪里呢？有如下幾點：
保留用戶態(tài)現(xiàn)場（上下文、寄存器、用戶棧等） 復(fù)制用戶態(tài)參數(shù)，用戶棧切到內(nèi)核棧，進(jìn)入內(nèi)核態(tài) 額外的檢查（因為內(nèi)核代碼對用戶不信任） 執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼 復(fù)制內(nèi)核態(tài)代碼執(zhí)行結(jié)果，回到用戶態(tài) 恢復(fù)用戶態(tài)現(xiàn)場（上下文、寄存器、用戶棧等）
所以，頻繁的IO操作會頻繁的造成用戶態(tài) —> 內(nèi)核態(tài) —> 用戶態(tài)的切換，這嚴(yán)重會影響系統(tǒng)性能。后面小編會介紹IO的一些優(yōu)化，重點就是減少切換。
好了，就到這里了，想要詳細(xì)了解用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，可以關(guān)注如下兩篇文章：
https://www.cnblogs.com/shangxiaofei/p/5567776.html https://juejin.cn/post/6920621924791894023
五種IO模型
《UNIX網(wǎng)絡(luò)編程》說得很清楚，5種IO模型分別是 阻塞IO模型、 非阻塞IO模型、 IO復(fù)用模型、 信號驅(qū)動IO模型、 異步IO模型。前4種為同步IO操作，只有異步IO模型是異步IO操作。
這里小編問個問題，為什么前四種是同步，而只有異步IO模型才是異步呢？
阻塞IO模型
阻塞IO模型是最常見最簡單的IO模型，圖如下：
應(yīng)用程序發(fā)起一個系統(tǒng)調(diào)用（recvform），這個時候應(yīng)用程序會一直阻塞下去，直到內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并將其從內(nèi)核復(fù)制到用戶空間，復(fù)制完成后返回成功提示，這個時候應(yīng)用程序才會繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。
所以，阻塞IO模型在IO兩個階段都會阻塞。
優(yōu)點 模型簡單，實現(xiàn)難度低 適用于并發(fā)量較小的應(yīng)用開發(fā) 缺點 整個過程都阻塞，進(jìn)程一直掛起，程序性能較為低，不適用并發(fā)大的應(yīng)用
場景
某天，你跟你女朋友（假如你有女朋友）去飯店吃飯，點完餐后，你就做坐那里一直等菜做好后，吃飽喝足才離開。這期間你和你女朋友由于擔(dān)心不知道菜什么時候才能做好，所以這個期間你們就只能一直在座位上面等著，什么時候也不能干。
非阻塞 IO模型
非阻塞IO模型圖例如下：
應(yīng)用程序發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用，如果數(shù)據(jù)報沒有準(zhǔn)備會則會立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤碼，進(jìn)程并不需要進(jìn)行等待。進(jìn)程收到該錯誤后，判斷內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，它還可以繼續(xù)發(fā)送 recvform，如果數(shù)據(jù)報已經(jīng)準(zhǔn)備好了，待數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間返回成功指示后，進(jìn)程則可以處理數(shù)據(jù)報了，
所以， 非阻塞IO模型需要應(yīng)用進(jìn)程不斷地主動詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否已準(zhǔn)備好了。
優(yōu)點 模型簡單，實現(xiàn)難度低 與阻塞IO模型對比，它在等待數(shù)據(jù)報的過程中，進(jìn)程并沒有阻塞，它可以做其他的事情 缺點 輪詢發(fā)送 recvform ，消耗CPU 資源 與阻塞IO模型一樣，它也不適用于并發(fā)量大的應(yīng)用程序
場景
一個星期后，你跟你女朋友還是去那家餐廳吃飯，點完菜后，你女朋友吸取上次教訓(xùn)，知道要在這里干等，所以還不如去逛逛，買點香水口紅啥的。但是呢，由于你們擔(dān)心會錯過上菜，所以你們就每隔一段時間就來問下服務(wù)員，你們的菜準(zhǔn)備好了沒有，來來回回好多回，若干次后，終于問到菜已經(jīng)準(zhǔn)備好了，然后你們就開心的吃起來。
IO復(fù)用模型
基于非阻塞IO模型，我們知道，它需要進(jìn)程不斷地輪詢發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用，在整個過程中，輪詢會占據(jù)很大一部分過程，而且不斷輪詢是很消耗CPU的。而且我們又不是只有一個進(jìn)程在這里發(fā)起recvform系統(tǒng)低調(diào)用，有可能是幾萬幾十萬個。
我們可以想象這樣一個場景，你是喜茶服務(wù)員，每個人點好奶茶后，都會過來問你他的奶茶好了沒有，三五個人你頂?shù)米?，那幾十上百個人呢？而且他們又不是只問一次，而是每隔幾分鐘就來問你一次，就問你煩不煩？我估計你都會懷疑人生了。那有辦法解決沒有呢？這么多人來問你受不了，一個人問不就可以解決了？奶茶做好了，由他來通知你們不就可以了？
IO復(fù)用模型采用的就是這種方式，不需要所有進(jìn)程輪詢來發(fā)起recvform來查詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了，而是有人幫忙來詢問，這個幫忙的人就是select。
IO復(fù)用模型圖例如下：
多個進(jìn)程的IO注冊到一個復(fù)用器（select）上，然后用一個進(jìn)程監(jiān)聽該 select，select 會監(jiān)聽所有注冊進(jìn)來的IO。如果內(nèi)核的數(shù)據(jù)報沒有準(zhǔn)備好，select 調(diào)用進(jìn)程會被阻塞，而當(dāng)任一IO在內(nèi)核緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，select調(diào)用就會返回可讀條件，然后進(jìn)程再進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，注意這個過程是阻塞的。
優(yōu)點 一個進(jìn)行負(fù)責(zé)狀態(tài)監(jiān)聽，性能較好。 適用于高并發(fā)應(yīng)用程序 缺點 模型復(fù)雜，實現(xiàn)、開發(fā)難度較大
場景
還是那家餐廳，開始的時候，大家都是在那里等，服務(wù)員只需要等菜做好，端上來就可以了，某天有些小伙伴發(fā)現(xiàn)你跟你女朋友竟然利用等菜的空閑時間去逛街（雖然累，但好歹也買了幾件東西對吧），然后他們也采用了這種方式，這個時候服務(wù)員就受不了了，你們隔一段時間就來問，隔一段時間就來問，煩都煩死了，于是他想了一個辦法，說，你們派一個人來問就可以了，我這邊做了由他來告訴你們菜是否已經(jīng)做了好。
后面小編會有專門的一篇文章來分析IO多路復(fù)用，敬請期待??！
信號驅(qū)動IO模型
IO 復(fù)用模型在第一個階段和第二個階段其實都有阻塞，第一個階段阻塞于 select 調(diào)用，第二個階段阻塞于數(shù)據(jù)復(fù)制，那有沒有辦法在第一個階段或者第二個階段不阻塞，進(jìn)一步提升性能呢？信號驅(qū)動IO模型。圖例如下：
進(jìn)程發(fā)起一個IO操作，會向內(nèi)核注冊一個信號處理程序，然后 立即返回不阻塞，當(dāng)內(nèi)核將數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好后會發(fā)送一個信號給進(jìn)程，這時候進(jìn)程便可以在信號處理程序中調(diào)用IO處理數(shù)據(jù)報。它與IO復(fù)用模型的主要區(qū)別是等待數(shù)據(jù)階段無阻塞。
優(yōu)點 采用回調(diào)機制，等待數(shù)據(jù)階段無阻塞 適用于高并發(fā)應(yīng)用程序 缺點 模型較為復(fù)雜，實現(xiàn)起來有點兒困難
場景
有人幫你問，其實也不是那么好，因為你還是要等他來告訴你，而且他是只要你們當(dāng)中有一個人的菜做好了就告訴你們所有人。于是，你們又想了一種方案，我點完菜后，我告訴服務(wù)員，我留我的微信在你這里，菜做好后，你告訴我就可以了。這樣你女票就可以利用這個空余時間逛更久了。
異步IO模型
信號驅(qū)動IO模型，進(jìn)一步優(yōu)化了IO操作流程，經(jīng)過了三輪優(yōu)化，它終于不用在數(shù)據(jù)等待階段阻塞了，但是在數(shù)據(jù)復(fù)制節(jié)點依然是阻塞的，所以如果我們需要進(jìn)一步優(yōu)化的話，只需要把第二個階段也進(jìn)一步優(yōu)化為異步，我們就大功告成了，也就變成了真正的異步IO了。
當(dāng)進(jìn)程發(fā)送一個IO操作，進(jìn)程會立刻返回（不阻塞），但是也不能發(fā)揮結(jié)果，內(nèi)核會把整個IO數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好后，再通知進(jìn)程，進(jìn)程再處理數(shù)據(jù)報。
場景經(jīng)過了前面四次的
優(yōu)點 整個過程都不阻塞，一步到位 非常使用高并發(fā)應(yīng)用 缺點 需要操作系統(tǒng)的底層支持，LINUX 2.5 版本內(nèi)核首現(xiàn)，2.6 版本產(chǎn)品的內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)特性 模型復(fù)雜，實現(xiàn)、開發(fā)難度較大
場景
雖然留電話的方式不錯，你只需要留一個微信就可以了，瞬間解放了，后面你又發(fā)現(xiàn)了一個問題，你到了餐廳后，還不能立刻吃飯，因為他們還要上菜，這個過程你還是要等，如果你到店后立刻就可以吃難道不是更爽么？所以你服務(wù)員溝通說，你做好菜后，直接上，完成后再微信通知你，你到店后就直接吃了。這樣你是不是更加爽了？
總結(jié)
五種IO模型，層層遞進(jìn)，一個比一個性能高，當(dāng)然模型的復(fù)雜度也一個比一個復(fù)雜。最后用一張圖來總結(jié)下
通過這張圖，我想你應(yīng)該可以回答文章前面的那個問題了。
參考
https://cloud.tencent.com/developer/article/1684951
https://www.jianshu.com/p/486b0965c296