网络通信模型（IO模型）学习摘要

Posted 2021-04-25 狠一点

1、概念

《Unix网络编程：卷1》中介绍了5种I/O模型，JAVA作为运行在宿主机上的程序，底层也遵循这些规则。

• 阻塞式IO（Blocking IO）：即传统的IO模型；

• 非阻塞式IO（Non-blocking IO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK，注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库；

• IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型；

• 信号驱动式IO：

• 异步IO：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO；

按POSIX标准来分，IO分为同步和异步，上面的前4种都属于同步IO。

一个IO分为两个阶段：

1. 等待数据：数据可能来自其他应用程序或者网络，如果没有数据，操作系统就一直等待，应用程序就跟着等待；

2. 拷贝数据：将就绪的数据拷贝到应用程序工作区；

在Unix系统中，操作系统的IO操作是一个系统调用recvfrom()，即一个系统调用recvfrom包含两步，等待数据就绪和拷贝数据。

同步和异步：描述的是用户线程与内核的交互方式。同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行。而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞：描述的是用户线程调用内核IO操作的方式。阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间。而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

2、IO模型

2.1、blocking I/O

application调用 recvfrom()转入kernel，直到最后copy complete后，recvfrom()才返回，此过程一直是阻塞的。

2.2、nonblocking I/O

不断轮询直到内核缓冲区有数据，由于轮询会消耗大量CPU时间，这种模式并不常用。

阻塞IO与非阻塞IO的关键区别在于，系统调用recvfrom是否立即返回。

 2.3、I/O multiplexing (select/poll/epoll) 

最常见的I/O复用模型，与blocking I/O相比，select会有两次系统调用，但是select能处理多个套接字，服务器只需要一两个线程就可以进行多客户端通信。

2.4、signal driven I/O (SIGIO) 

只有UNIX系统支持，与I/O multiplexing相比，它的优势是，免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理。

2.5、asynchronous I/O

很少有*nix系统支持，windows的IOCP则是此模型，完全异步的I/O复用机制，纵观上面其它四种模型，至少都会在由kernel copy data to appliction时阻塞。而该模型是当copy完成后才通知application，可见是纯异步的。好像只有windows的完成端口是这个模型，效率也很出色。

2.6、五种模型的比较 

可以看出，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。

3、select、poll、epoll的区别

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select缺点：

a、每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大；

b、同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大；

c、select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024；

poll

poll的实现和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，其他的都差不多。 

epoll

select和poll的增强版本

a、 每次注册新的事件到epoll句柄中时都会拷贝进内核，保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次；

b、 为每个fd指定一个回调函数，当设备就绪，唤醒等待队列上的等待者时，就会调用这个回调函数，而这个回调函数会把就绪的fd加入一个就绪链表，只需在就绪链表中查看有没有就绪的fd；

c、 epoll没有这个限制，它所支持的FD上限是最大可以打开文件的数目；