五种Linux IO模型+同步异步，阻塞非阻塞，再也不怕头条面试官挂我了

Posted 2021-04-08 码农小K

背景

小K在面试中被头条面试官问了五种IO模型，只是含糊的回答了；头条面试官一脸不满意的回答，你回去花两小时认真看看吧，保证你有收获，最后，当然就是面试不通过了，所以在面试中，IO模型是非常常见的问题，我们需要理解IO模型的分类，特点，为什么有这种模型。

首先记住从245原则去讲解，2代表两类；第一类有4个名词，代表阻塞，非阻塞，同步，异步；第二类有5个名词，代表阻塞IO，非阻塞IO，IO多路复用，信号驱动IO，异步IO

第一类：同步异步 阻塞非阻塞

了解第一类之前，我们需要先了解一个IO操作做了什么事情，对于熟悉第一类的大佬，可以跳过第一类，去了解第二类IO模型

linux系统分为用户态和内核态，发起一个IO操作的过程分类两步：

1. 用户态的线程发起IO操作，那就要**等**内核准备好数据

2. 内核态准备好数据后，用户态唤醒，把**数据从内核拷贝**到用户的**线程缓冲区**中

1. 阻塞

容易记的关键词：线程停了；阻塞的意思就是用户的线程发起一个IO操作，线程就停止了，直到等待内核准备好数据，线程才能继续运行

2. 非阻塞

容易记的关键词：线程还能动；非阻塞的意思就是用户的线程发起一个IO操作，线程没有停止，还可以继续做其他事情，也就是说线程通知内核IO操作后，继续去做其他事情了

3. 同步

容易记的关键词：直到整个操作完成；同步的意思可以理解为做一件事件，必须等到了结果，才能继续做其他事情，那么对于IO操作，线程是需要做完了第一步等操作和第二部数据拷贝的操作，才能继续做其他的事情

4. 异步

容易记的关键词：不需要整个操作完成；异步的意思可以理解为做一件事情，通知开始做后，便可以做其他事情了，系统会帮我们做完剩下的事情，那么对于IO操作，线程只需要通知IO操作开始，就可以做其他操作了，最后内核会帮我们做完两件事情，等数据准备和数据拷贝

第二类：IO模型

现在便来介绍IO模型了，每个IO模型都有其特点，不断进化

1. 阻塞IO

看到阻塞IO，大家应该有印象了吧，那就是关键字：线程停了

应用的进程调用IO操作后，一直等到内核准备好数据，然后将数据从内核复制到用户的进程缓冲区，最后才能进行其他操作

场景描述：

小K需要跑一个程序，第一步需要编译，编译完成后，第二步再运行程序；阻塞IO场景就是小k编译程序后，一直盯着编译过程，等到编译完成后，就立刻运行编译好的程序；这样是不是不能做其他事情了，而且运行程序也无延迟

优点：

1. 不消耗CPU，发起IO后，进程就阻塞了，所以不消耗CPU

2. 能够及时返回数据，无延迟

缺点：

1. 进程不能进行其他操作，因为等待数据和准备好数据是需要时间的，如果能够不阻塞，那便可以进行其他的IO发起操作等

2. 性能较低

2. 非阻塞IO

针对阻塞IO，是不是可以优化一下，在阻塞的时候，去做一下其他事情，然后在看数据有没有准备好；所以整个操作可以看作，发起IO操作后，不进行阻塞，而是不断主动去轮询内核，看数据是不是准备好了，数据准备好后，就可以进行拷贝了

场景描述：

小K编译程序的时候，去写一下代码，然后回来看编译过程，重复这个过程，直到程序编译好，然后再运行程序

优点：

在等待任务完成的时候，还可以去做其他事情，提高CPU使用率

缺点：

1. 任务存在延迟，因为定时轮询，可能轮询不及时

2. 消耗CPU，因为定时去轮询时，进程不是阻塞态，是运行状态，所以是消耗CPU的，如果多个进程都定时轮询，CPU消耗是很大的

3. IO 多路复用

针对与非阻塞IO，多个进程都进行轮询的话，系统需要进程资源，也消耗CPU，所以支撑不了很多的IO操作，这样便出现了IO多路复用；我们可以把多个IO操作注册到IO复用的函数（select，poll，epoll）中，这样便可以由一个系统调用去监听多个IO，等到有一个或多个IO操作的数据就绪后，系统调用就会立刻去通知用户态，用户再进行该就绪IO的数据拷贝操作

场景描述：

小K一下需要编译10个程序，如果每个定时去看，得查看10次，很麻烦；聪明的小K便写了一个脚本，需要编译一个程序，就往脚本配置文件注册该编译程序的信息；脚本运行时，如果发现有编译完成的程序，立刻告诉小K，美滋滋，可以运行该程序了，运行完程序后，又盯着脚本看，如果再有编译好的程序，再运行。。。

优点：

1. 支持高数量的IO操作，适用于高并发的场景

2. 系统开销小，一个进程做多个IO操作

缺点：

1. 该模型还是同步模型，整个操作（等待数据和拷贝数据）都需要用户进程去完成

2. 在IO没有就绪的情况下，会阻塞进程

4. 信号驱动IO

在IO多路复用中，优点还是挺多的了，但是针对缺点1阻塞，和更好的针对网路协议，便有了信号驱动IO；信号驱动IO会安装好信号处理函数（可以理解为数据拷贝），进程发起信号驱动IO时，就立刻收到返回，便可以做其他事情了，等内核准备好数据时，便通知信号处理函数，信号处理函数便进行数据拷贝的操作

但是信号驱动IO适用于UDP协议，而不适用于TCP协议，因为UDP收到数据包时，才会产生信号，而TCP不同，三次握手，四次挥手，心跳检查等等，都会产生信号，这样信号程序是无法判断是否是数据包的（如有错误，请各位大佬提醒）

场景描述：

聪明的小K在编译脚本的基础上加了弹框功能弹框功能，如果有就绪情况，就立刻弹框，小K便可以知道编译完成了，去运行程序

优点：

1. 非阻塞模型，进程发起调用后，立刻返回，便可以进行其他操作了

缺点：

1. 在数据拷贝的时候，还是需要用户态去主动去操作

5. 异步非阻塞IO

这个就是真正强大的IO，用户发起IO操作后，就不用管了，去做其他事情，内核会准备好数据，并把数据拷贝到用户的进程中

场景描述

小K现在把编译脚本加上了运行脚本，只要发起脚本，就可以去写其他代码了，脚本会自动完成编译+运行操作

优点：

1. 非阻塞，发起IO操作后，还可以做其他事情

2. 异步，整个IO操作，只需要发起操作，而不需要进行等待数据完成和数据拷贝操作，这些内核都做好了

缺点：

1. 优点系统不支持