网络I/O模型

Posted 2021-09-26 牛牛VS妞妞

网络 I/O 模型

• 阻塞型、非阻塞型、复用型、信号驱动型、异步

  1、阻塞型 I/O 模型（blocking IO）

  

• 阻塞IO模型是最简单的I/O模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞
• 用户线程通过系统调用read发起I/O读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作
• 用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个I/O请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够
• 优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源
• 缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，apache 的preforck使用的是这种模式。

  同步阻塞：程序向内核发送I/O请求后一直等待内核响应，如果内核处理请求的IO操作不能立即返回,则进程
  将一直等待并不再接受新的请求，并由进程轮训查看I/O是否完成，完成后进程将I/O结果返回给Client，在
  IO没有返回期间进程不能接受其他客户的请求，而且是有进程自己去查看I/O是否完成，这种方式简单，但是
  比较慢，用的比较少。

  2、非阻塞型 I/O 模型 (nonblocking IO)

  

• 用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。即 “轮询”机制存在两个问题：如果有大量文件描述符都要等，那么就得一个一个的read。这会带来大量的Context Switch（read是系统调用，每调用一次就得在用户态和核心态切换一次）。轮询的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长，程序响应延迟就过大;设的太短，就会造成过于频繁的重试，干耗CPU而已，是比较浪费CPU的方式，一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

  非阻塞：程序向内核发送请I/O求后一直等待内核响应，如果内核处理请求的IO操作不能立即返回IO结果，进
  程将不再等待，而且继续处理其他请求，但是仍然需要进程隔一段时间就要查看内核I/O是否完成。

  查看上图可知，在设置连接为非阻塞时，当应用进程系统调用recvfrom 没有数据返回时，内核会立即返回一个EWOULDBLOCK 错误，而不会一直阻塞到数据准备好。如上图在第四次调用时有一个数据报准备好了，所以这时数据会被复制到应用进程缓冲区，于是recvfrom 成功返回数据当一个应用进程这样循环调用recvfrom 时，称之为轮询polling 。这么做往往会耗费大量CPU时间，实际使用很少

  3、多路复用 I/O 型(I/O multiplexing)

  

• I/O multiplexing 主要包括:select，poll，epoll三种系统调用，select/poll/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。当用户进程调用了select那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。
• Apache prefork是此模式的select，work是poll模式。

  
  IO多路复用（IO Multiplexing) ：是一种机制，程序注册一组socket文件描述符给操作系统，表示“我
  要监视这些fd是否有IO事件发生，有了就告诉程序处理”
  IO多路复用一般和NIO一起使用的。NIO和IO多路复用是相对独立的。NIO仅仅是指IO API总是能立刻返回，
  不会被Blocking;而IO多路复用仅仅是操作系统提供的一种便利的通知机制。操作系统并不会强制这俩必须
  得一起用，可以只用IO多路复用 + BIO，这时还是当前线程被卡住。IO多路复用和NIO是要配合一起使用才
  有实际意义

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，就通知该进程
多个连接共用一个等待机制，本模型会阻塞进程，但是进程是阻塞在select或者poll这两个系统调用上，而
不是阻塞在真正的IO操作上
用户首先将需要进行IO操作添加到select中，同时等待select系统调用返回。当数据到达时，IO被激活，
select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行
从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视IO，以及
调用select函数的额外操作，效率更差。并且阻塞了两次，但是第一次阻塞在select上时，select可以监
控多个IO上是否已有IO操作准备就绪，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而不像阻塞IO
那种，一次只能监控一个IO
虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select函数上阻塞），
平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只是注册自己需要的IO请求，然后去做自己的事情，等
到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率

IO多路复用是最常使用的IO模型，但是其异步程度还不够“彻底”，因它使用了会阻塞线程的select系统调
用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO模型，而非真正的异步IO

**优缺点:**
- **优点**：可以基于一个阻塞对象，同时在多个描述符上等待就绪，而不是使用多个线程(每个文件描
述符一个线程)，这样可以大大节省系统资源
- **缺点**：当连接数较少时效率相比多线程+阻塞 I/O 模型效率较低，可能延迟更大，因为单个连接处
理需要 2 次系统调用，占用时间会有增加

IO多路复用适用如下场合：
- 当客户端处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用
- 当一个客户端同时处理多个套接字时，此情况可能的但很少出现
- 当一个服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般也要用到I/O复用
- 当一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用
- 当一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用

## 4、信号驱动式 I/O 模型 (signal-driven IO)
![4.jpg](https://s2.51cto.com/images/20210925/1632580875290338.jpg?x-oss-process=image/watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=)
- 信号驱动I/O的意思就是我们现在不用傻等着了，也不用去轮询。而是让内核在数据就绪时，发送信号通知我们。
- 调用的步骤是，通过系统调用sigaction ，并注册一个信号处理的回调函数，该调用会立即返回，然后主程序可以继续向下执行，当有I/O操作准备就绪,即内核数据就绪时，内核会为该进程产生一个SIGIO 信号，并回调注册的信号回调函数，这样就可以在信号回调函数中系统调用recvfrom 获取数据,将用户进程所需要的数据从内核空间拷贝到用户空间
- 此模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知。
- 在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞
- 当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。
- 优点：线程并没有在等待数据时被阻塞，内核直接返回调用接收信号，不影响进程继续处理其他请求因此可以提高资源的利用率
- 缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知

```shell
异步阻塞：程序进程向内核发送IO调用后，不用等待内核响应，可以继续接受其他请求，内核收到进程请求后
进行的IO如果不能立即返回，就由内核等待结果，直到IO完成后内核再通知进程，apache event是此模
式。

5、异步 I/O 模型 (asynchronous IO)

• 异步I/O 与 信号驱动I/O最大区别在于，信号驱动是内核通知我们何时开始一个I/O操作，而异步I/O是由内核通知我们I/O操作何时完成，两者有本质区别,相当于不用去饭店场吃饭，直接点个外卖，把等待上菜的时间也给省了
• 相对于同步I/O，异步I/O不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。
• 异步IO与信号驱动IO最主要的区别是信号驱动IO是由内核通知应用程序何时可以进行IO操作，而异步IO则是由内核告诉用户线程IO操作何时完成。信号驱动IO当内核通知触发信号处理程序时，信号处理程序还需要阻塞在从内核空间缓冲区拷贝数据到用户空间缓冲区这个阶段，而异步IO直接是在第二个阶段完成后，内核直接通知用户线程可以进行后续操作了
• 优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠
• 缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入，目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时以 IO 复用模型模式+多线程任务的架构基本可以满足需求Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。

  异步非阻塞：程序进程向内核发送IO调用后，不用等待内核响应，可以继续接受其他请求，内核调用的IO如果
  不能立即返回，内核会继续处理其他事物，直到IO完成后将结果通知给内核，内核在将IO完成的结果返回给进
  程，期间进程可以接受新的请求，内核也可以处理新的事物，因此相互不影响，可以实现较大的同时并实现较
  高的IO复用，因此异步非阻塞使用最多的一种通信方式。

  6、五种 IO 对比

  这五种 I/O 模型中，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优前四种属于同步 I/O，因为其中真正的
  I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配