理解一下5種IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和異步IO

5種IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和異步IO

看了一些文章，發(fā)現(xiàn)有很多不同的理解，可能是因?yàn)榇蠹胰肭械慕嵌取h(huán)境不一樣。所以，我們先說明基本的IO操作及環(huán)境。

本文是在《UNIX網(wǎng)絡(luò)編程 卷1：套接字聯(lián)網(wǎng)API》6.2節(jié)"I/O 模型 "的基礎(chǔ)上，即UNIX/LINUX環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò) IO環(huán)境下的理解，它里面給出的例子是讀取（接收）網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)。下面簡單寫寫自己對這些IO模型的理解。

1、IO

IO (Input/Output，輸入/輸出)即數(shù)據(jù)的讀取（接收）或?qū)懭耄òl(fā)送）操作，通常用戶進(jìn)程中的一個(gè)完整IO分為兩階段：用戶進(jìn)程空間<-->內(nèi)核空間、內(nèi)核空間<-->設(shè)備空間（磁盤、網(wǎng)絡(luò)等）。IO有內(nèi)存IO、網(wǎng)絡(luò)IO和磁盤IO三種，通常我們說的IO指的是后兩者。

LINUX中進(jìn)程無法直接操作I/O設(shè)備，其必須通過系統(tǒng)調(diào)用請求kernel來協(xié)助完成I/O動作；內(nèi)核會為每個(gè)I/O設(shè)備維護(hù)一個(gè)緩沖區(qū)。

對于一個(gè)輸入操作來說，進(jìn)程IO系統(tǒng)調(diào)用后，內(nèi)核會先看緩沖區(qū)中有沒有相應(yīng)的緩存數(shù)據(jù)，沒有的話再到設(shè)備中讀取，因?yàn)樵O(shè)備IO一般速度較慢，需要等待；內(nèi)核緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)則直接復(fù)制到進(jìn)程空間。

所以，對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入操作通常包括兩個(gè)不同階段：

• 等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)卡→讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；
• 從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù)到進(jìn)程空間。

2、5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)動的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。

下面這樣些圖，是它里面給出的例子：接收網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)的流程在IO模型下的分析，在它的基礎(chǔ)上再加以簡單描述，以區(qū)分這些IO模型。

2-1、阻塞IO模型

進(jìn)程發(fā)起IO系統(tǒng)調(diào)用后，進(jìn)程被阻塞，轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間處理，整個(gè)IO處理完畢后返回進(jìn)程。操作成功則進(jìn)程獲取到數(shù)據(jù)。

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1、典型應(yīng)用：阻塞socket、Java BIO；

2、特點(diǎn)：

• 進(jìn)程阻塞掛起不消耗CPU資源，及時(shí)響應(yīng)每個(gè)操作；

• 實(shí)現(xiàn)難度低、開發(fā)應(yīng)用較容易；

• 適用并發(fā)量小的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)；

不適用并發(fā)量大的應(yīng)用：因?yàn)橐粋€(gè)請求IO會阻塞進(jìn)程，所以，得為每請求分配一個(gè)處理進(jìn)程（線程）以及時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)開銷大。

2-2、非阻塞IO模型

進(jìn)程發(fā)起IO系統(tǒng)調(diào)用后，如果內(nèi)核緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)，需要到IO設(shè)備中讀取，進(jìn)程返回一個(gè)錯(cuò)誤而不會被阻塞；進(jìn)程發(fā)起IO系統(tǒng)調(diào)用后，如果內(nèi)核緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，內(nèi)核就會把數(shù)據(jù)返回進(jìn)程。

對于上面的阻塞IO模型來說，內(nèi)核數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好需要進(jìn)程阻塞的時(shí)候，就返回一個(gè)錯(cuò)誤，以使得進(jìn)程不被阻塞。

1、典型應(yīng)用：socket是非阻塞的方式（設(shè)置為NONBLOCK）

2、特點(diǎn)：

• 進(jìn)程輪詢（重復(fù)）調(diào)用，消耗CPU的資源；

• 實(shí)現(xiàn)難度低、開發(fā)應(yīng)用相對阻塞IO模式較難；

• 適用并發(fā)量較小、且不需要及時(shí)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)；

2-3、IO復(fù)用模型

多個(gè)的進(jìn)程的IO可以注冊到一個(gè)復(fù)用器（select）上，然后用一個(gè)進(jìn)程調(diào)用該select， select會監(jiān)聽所有注冊進(jìn)來的IO；

如果select沒有監(jiān)聽的IO在內(nèi)核緩沖區(qū)都沒有可讀數(shù)據(jù)，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)中有可數(shù)據(jù)時(shí)，select調(diào)用就會返回；

而后select調(diào)用進(jìn)程可以自己或通知另外的進(jìn)程（注冊進(jìn)程）來再次發(fā)起讀取IO，讀取內(nèi)核中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。

可以看到，多個(gè)進(jìn)程注冊IO后，只有另一個(gè)select調(diào)用進(jìn)程被阻塞。

1、典型應(yīng)用：select、poll、epoll三種方案，nginx都可以選擇使用這三個(gè)方案;Java NIO;

2、特點(diǎn)：

• 專一進(jìn)程解決多個(gè)進(jìn)程IO的阻塞問題，性能好；Reactor模式;

• 實(shí)現(xiàn)、開發(fā)應(yīng)用難度較大；

• 適用高并發(fā)服務(wù)應(yīng)用開發(fā)：一個(gè)進(jìn)程（線程）響應(yīng)多個(gè)請求；

3、select、poll、epoll

• Linux中IO復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方式主要有select、poll和epoll：

• Select：注冊IO、阻塞掃描，監(jiān)聽的IO最大連接數(shù)不能多于FD_SIZE；

• Poll：原理和Select相似，沒有數(shù)量限制，但I(xiàn)O數(shù)量大掃描線性性能下降；

• Epoll ：事件驅(qū)動不阻塞，mmap實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與用戶空間的消息傳遞，數(shù)量很大，Linux2.6后內(nèi)核支持；

2-4、信號驅(qū)動IO模型

當(dāng)進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO操作，會向內(nèi)核注冊一個(gè)信號處理函數(shù)，然后進(jìn)程返回不阻塞；當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒時(shí)會發(fā)送一個(gè)信號給進(jìn)程，進(jìn)程便在信號處理函數(shù)中調(diào)用IO讀取數(shù)據(jù)。

特點(diǎn)：回調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)、開發(fā)應(yīng)用難度大；

2-5、異步IO模型

當(dāng)進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO操作，進(jìn)程返回（不阻塞），但也不能返回果結(jié)；內(nèi)核把整個(gè)IO處理完后，會通知進(jìn)程結(jié)果。如果IO操作成功則進(jìn)程直接獲取到數(shù)據(jù)。

關(guān)注公眾號程序員小樂回復(fù)關(guān)鍵字“Java”獲取Java面試題和答案。

1、典型應(yīng)用：JAVA7 AIO、高性能服務(wù)器應(yīng)用

2、特點(diǎn)：

• 不阻塞，數(shù)據(jù)一步到位；Proactor模式；

• 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；

• 實(shí)現(xiàn)、開發(fā)應(yīng)用難度大；

• 非常適合高性能高并發(fā)應(yīng)用；

3、IO模型比較

3-1、阻塞IO調(diào)用和非阻塞IO調(diào)用、阻塞IO模型和非阻塞IO模型

注意這里的阻塞IO調(diào)用和非阻塞IO調(diào)用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型：

• 阻塞IO調(diào)用 ：在用戶進(jìn)程（線程）中調(diào)用執(zhí)行的時(shí)候，進(jìn)程會等待該IO操作，而使得其他操作無法執(zhí)行。
• 非阻塞IO調(diào)用：在用戶進(jìn)程中調(diào)用執(zhí)行的時(shí)候，無論成功與否，該IO操作會立即返回，之后進(jìn)程可以進(jìn)行其他操作（當(dāng)然如果是讀取到數(shù)據(jù)，一般就接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理）。

這個(gè)直接理解就好，進(jìn)程（線程）IO調(diào)用會不會阻塞進(jìn)程自己。所以這里兩個(gè)概念是相對調(diào)用進(jìn)程本身狀態(tài)來講的。

從上面對比圖片來說，阻塞IO模型是一個(gè)阻塞IO調(diào)用，而非阻塞IO模型是多個(gè)非阻塞IO調(diào)用+一個(gè)阻塞IO調(diào)用，因?yàn)槎鄠€(gè)IO檢查會立即返回錯(cuò)誤，不會阻塞進(jìn)程。

而上面也說過了，非阻塞IO模型對于阻塞IO模型來說區(qū)別就是，內(nèi)核數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好需要進(jìn)程阻塞的時(shí)候，就返回一個(gè)錯(cuò)誤，以使得進(jìn)程不被阻塞。

3-2、同步IO和異步IO

• 同步IO：導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞，直到I/O操作完成。

• 異步IO：不導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞。

上面兩個(gè)定義是《UNIX網(wǎng)絡(luò)編程 卷1：套接字聯(lián)網(wǎng)API》給出的。這不是很好理解，我們來擴(kuò)展一下，先說說同步和異步，同步和異步關(guān)注的是雙方的消息通信機(jī)制：

• 同步：雙方的動作是經(jīng)過雙方協(xié)調(diào)的，步調(diào)一致的。
• 異步：雙方并不需要協(xié)調(diào)，都可以隨意進(jìn)行各自的操作。

這里我們的雙方是指，用戶進(jìn)程和IO設(shè)備；明確同步和異步之后，我們在上面網(wǎng)絡(luò)輸入操作例子的基礎(chǔ)上，進(jìn)行擴(kuò)展定義：

• 同步IO：用戶進(jìn)程發(fā)出IO調(diào)用，去獲取IO設(shè)備數(shù)據(jù)，雙方的數(shù)據(jù)要經(jīng)過內(nèi)核緩沖區(qū)同步，完全準(zhǔn)備好后，再復(fù)制返回到用戶進(jìn)程。而復(fù)制返回到用戶進(jìn)程會導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞，直到I/O操作完成。

• 異步IO：用戶進(jìn)程發(fā)出IO調(diào)用，去獲取IO設(shè)備數(shù)據(jù)，并不需要同步，內(nèi)核直接復(fù)制到進(jìn)程，整個(gè)過程不導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞。

所以， 阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復(fù)用模型、信號驅(qū)動的IO模型者為同步IO模型，只有異步IO模型是異步IO。