5种IO模型阻塞IO和非阻塞IO同步IO和异步IO

Posted 2021-04-25 萤火虫智能家居沙龙

5种IO模型、阻塞IO和非阻塞IO、同步IO和异步IO

       看了一些文章，发现有很多不同的理解，可能是因为大家入切的角度、环境不一样。所以，我们先说明基本的IO操作及环境。本文是在《UNIX网络编程 卷1：套接字联网API》6.2节"I/O 模型 "的基础上，即UNIX/LINUX环境下的网络 IO环境下的理解，它里面给出的例子是读取（接收）网络UDP数据。下面简单写写自己对这些IO模型的理解。

1、IO

       IO (Input/Output，输入/输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间<-->内核空间、内核空间<-->设备空间（磁盘、网络等）。IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。

       LINUX中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。

       对于一个输入操作来说，进程IO系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备IO一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

       所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区，数据准备好；

（2）从内核缓冲区复制数据到进程空间。

2、5种IO模型

       《UNIX网络编程》说得很清楚，5种IO模型分别是阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型；前4种为同步IO操作，只有异步IO模型是异步IO操作。下面这样些图，是它里面给出的例子：接收网络UDP数据的流程在IO模型下的分析，在它的基础上再加以简单描述，以区分这些IO模型。

2-1、阻塞IO模型

       进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

1、典型应用：阻塞socket、Java BIO；

2、特点：

进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作；

实现难度低、开发应用较容易；

适用并发量小的网络应用开发；

不适用并发量大的应用：因为一个请求IO会阻塞进程，所以，得为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

2-2、非阻塞IO模型

       进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到IO设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞；进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。

       对于上面的阻塞IO模型来说，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

1、典型应用：socket是非阻塞的方式（设置为NONBLOCK）

2、特点：

进程轮询（重复）调用，消耗CPU的资源；

实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难；

 适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发；

2-3、IO复用模型

       多个的进程的IO可以注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程调用该select， select会监听所有注册进来的IO；

       如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据，select调用进程会被阻塞；而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时，select调用就会返回；

       而后select调用进程可以自己或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取IO，读取内核中准备好的数据。

       可以看到，多个进程注册IO后，只有另一个select调用进程被阻塞。

1、典型应用：select、poll、epoll三种方案，nginx都可以选择使用这三个方案;Java NIO;

2、特点：

专一进程解决多个进程IO的阻塞问题，性能好；Reactor模式;

实现、开发应用难度较大；

适用高并发服务应用开发：一个进程（线程）响应多个请求；

3、select、poll、epoll

Linux中IO复用的实现方式主要有select、poll和epoll：

Select：注册IO、阻塞扫描，监听的IO最大连接数不能多于FD_SIZE；

Poll：原理和Select相似，没有数量限制，但IO数量大扫描线性性能下降；

Epoll ：事件驱动不阻塞，mmap实现内核与用户空间的消息传递，数量很大，Linux2.6后内核支持；

 2-4、信号驱动IO模型

       当进程发起一个IO操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

       1、特点：回调机制，实现、开发应用难度大；

2-5、异步IO模型

       当进程发起一个IO操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回果结；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据。

1、典型应用：JAVA7 AIO、高性能服务器应用

2、特点：

不阻塞，数据一步到位；Proactor模式；

需要操作系统的底层支持，LINUX 2.5 版本内核首现，2.6 版本产品的内核标准特性；

实现、开发应用难度大；

非常适合高性能高并发应用；

3、IO模型比较

3-1、阻塞IO调用和非阻塞IO调用、阻塞IO模型和非阻塞IO模型

      注意这里的阻塞IO调用和非阻塞IO调用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型：

阻塞IO调用 ：在用户进程（线程）中调用执行的时候，进程会等待该IO操作，而使得其他操作无法执行。

非阻塞IO调用：在用户进程中调用执行的时候，无论成功与否，该IO操作会立即返回，之后进程可以进行其他操作（当然如果是读取到数据，一般就接着进行数据处理）。

       这个直接理解就好，进程（线程）IO调用会不会阻塞进程自己。所以这里两个概念是相对调用进程本身状态来讲的。

       从上面对比图片来说，阻塞IO模型是一个阻塞IO调用，而非阻塞IO模型是多个非阻塞IO调用+一个阻塞IO调用，因为多个IO检查会立即返回错误，不会阻塞进程。

       而上面也说过了，非阻塞IO模型对于阻塞IO模型来说区别就是，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

3-2、同步IO和异步IO

同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

异步IO：不导致请求进程阻塞。

       上面两个定义是《UNIX网络编程 卷1：套接字联网API》给出的。这不是很好理解，我们来扩展一下，先说说同步和异步，同步和异步关注的是双方的消息通信机制：

同步：双方的动作是经过双方协调的，步调一致的。

异步：双方并不需要协调，都可以随意进行各自的操作。

       这里我们的双方是指，用户进程和IO设备；明确同步和异步之后，我们在上面网络输入操作例子的基础上，进行扩展定义：

同步IO：用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，双方的数据要经过内核缓冲区同步，完全准备好后，再复制返回到用户进程。而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

异步IO：用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，并不需要同步，内核直接复制到进程，整个过程不导致请求进程阻塞。

      所以，阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型者为同步IO模型，只有异步IO模型是异步IO。