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，發現有很多不同的理解，可能是因為大家入切的角度、環境不一樣。所以，我們先說明基本的IO操作及環境。

本文是在《UNIX網絡編程 卷1：套接字聯網API》6.2節"I/O 模型 "的基礎上，即UNIX/LINUX環境下的網絡 IO環境下的理解，它里面給出的例子是讀取（接收）網絡UDP數據。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)即數據的讀取（接收）或寫入（發送）操作，通常用戶進程中的一個完整IO分為兩階段：用戶進程空間<–>內核空間、內核空間<–>設備空間（磁盤、網絡等）。IO有內存IO、網絡IO和磁盤IO三種，通常我們說的IO指的是后兩者。

LINUX中進程無法直接操作I/O設備，其必須通過系統調用請求kernel來協助完成I/O動作；內核會為每個I/O設備維護一個緩沖區。

對于一個輸入操作來說，進程IO系統調用后，內核會先看緩沖區中有沒有相應的緩存數據，沒有的話再到設備中讀取，因為設備IO一般速度較慢，需要等待；內核緩沖區有數據則直接復制到進程空間。

所以，對于一個網絡輸入操作通常包括兩個不同階段：

等待網絡數據到達網卡→讀取到內核緩沖區，數據準備好；

從內核緩沖區復制數據到進程空間。

2、5種IO模型

《UNIX網絡編程》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復用模型、信號驅動的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：接收網絡UDP數據的流程在IO模型下的分析，在它的基礎上再加以簡單描述，以區分這些IO模型。搜索Java知音公眾號，回復“后端面試”，送你一份Java面試題寶典

2-1、阻塞IO模型

進程發起IO系統調用后，進程被阻塞，轉到內核空間處理，整個IO處理完畢后返回進程。操作成功則進程獲取到數據。

進程阻塞掛起不消耗CPU資源，及時響應每個操作；

實現難度低、開發應用較容易；

適用并發量小的網絡應用開發；

不適用并發量大的應用：因為一個請求IO會阻塞進程，所以，得為每請求分配一個處理進程（線程）以及時響應，系統開銷大。

2-2、非阻塞IO模型

進程發起IO系統調用后，如果內核緩沖區沒有數據，需要到IO設備中讀取，進程返回一個錯誤而不會被阻塞；進程發起IO系統調用后，如果內核緩沖區有數據，內核就會把數據返回進程。

對于上面的阻塞IO模型來說，內核數據沒準備好需要進程阻塞的時候，就返回一個錯誤，以使得進程不被阻塞。搜索Java知音公眾號，回復“后端面試”，送你一份Java面試題寶典

進程輪詢（重復）調用，消耗CPU的資源；

實現難度低、開發應用相對阻塞IO模式較難；

適用并發量較小、且不需要及時響應的網絡應用開發；

2-3、IO復用模型

多個的進程的IO可以注冊到一個復用器（select）上，然后用一個進程調用該select， select會監聽所有注冊進來的IO；

如果select沒有監聽的IO在內核緩沖區都沒有可讀數據，select調用進程會被阻塞；而當任一IO在內核緩沖區中有可數據時，select調用就會返回；

而后select調用進程可以自己或通知另外的進程（注冊進程）來再次發起讀取IO，讀取內核中準備好的數據。

可以看到，多個進程注冊IO后，只有另一個select調用進程被阻塞。

專一進程解決多個進程IO的阻塞問題，性能好；Reactor模式;

實現、開發應用難度較大；

適用高并發服務應用開發：一個進程（線程）響應多個請求；

3、select、poll、epoll

Linux中IO復用的實現方式主要有select、poll和epoll：

Select：注冊IO、阻塞掃描，監聽的IO最大連接數不能多于FD_SIZE；

Poll：原理和Select相似，沒有數量限制，但IO數量大掃描線性性能下降；

Epoll ：事件驅動不阻塞，mmap實現內核與用戶空間的消息傳遞，數量很大，Linux2.6后內核支持；

2-4、信號驅動IO模型

當進程發起一個IO操作，會向內核注冊一個信號處理函數，然后進程返回不阻塞；當內核數據就緒時會發送一個信號給進程，進程便在信號處理函數中調用IO讀取數據。

2-5、異步IO模型

當進程發起一個IO操作，進程返回（不阻塞），但也不能返回果結；內核把整個IO處理完后，會通知進程結果。如果IO操作成功則進程直接獲取到數據。

不阻塞，數據一步到位；Proactor模式；

需要操作系統的底層支持，LINUX 2.5 版本內核首現，2.6 版本產品的內核標準特性；

實現、開發應用難度大；

非常適合高性能高并發應用；

3、IO模型比較

注意這里的阻塞IO調用和非阻塞IO調用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型：

阻塞IO調用 ：在用戶進程（線程）中調用執行的時候，進程會等待該IO操作，而使得其他操作無法執行。

非阻塞IO調用：在用戶進程中調用執行的時候，無論成功與否，該IO操作會立即返回，之后進程可以進行其他操作（當然如果是讀取到數據，一般就接著進行數據處理）。

這個直接理解就好，進程（線程）IO調用會不會阻塞進程自己。所以這里兩個概念是相對調用進程本身狀態來講的。

從上面對比圖片來說，阻塞IO模型是一個阻塞IO調用，而非阻塞IO模型是多個非阻塞IO調用+一個阻塞IO調用，因為多個IO檢查會立即返回錯誤，不會阻塞進程。

而上面也說過了，非阻塞IO模型對于阻塞IO模型來說區別就是，內核數據沒準備好需要進程阻塞的時候，就返回一個錯誤，以使得進程不被阻塞。

3-2、同步IO和異步IO

同步IO：導致請求進程阻塞，直到I/O操作完成。

異步IO：不導致請求進程阻塞。

上面兩個定義是《UNIX網絡編程 卷1：套接字聯網API》給出的。這不是很好理解，我們來擴展一下，先說說同步和異步，同步和異步關注的是雙方的消息通信機制：

同步：雙方的動作是經過雙方協調的，步調一致的。

異步：雙方并不需要協調，都可以隨意進行各自的操作。

這里我們的雙方是指，用戶進程和IO設備；明確同步和異步之后，我們在上面網絡輸入操作例子的基礎上，進行擴展定義：

同步IO：用戶進程發出IO調用，去獲取IO設備數據，雙方的數據要經過內核緩沖區同步，完全準備好后，再復制返回到用戶進程。而復制返回到用戶進程會導致請求進程阻塞，直到I/O操作完成。

異步IO：用戶進程發出IO調用，去獲取IO設備數據，并不需要同步，內核直接復制到進程，整個過程不導致請求進程阻塞。

所以， 阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復用模型、信號驅動的IO模型者為同步IO模型，只有異步IO模型是異步IO。

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