linux网络IO模型——阻塞非阻塞和同步异步

Posted 2020-07-21

最近几天在学习nginx的时候了解了一下linux网络IO模型，在此谈谈我自己的理解，如有错误请多多指教。本文参考书籍Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”。

Linux网络IO请求数据分为两段：

　　1.数据准备

　　2.将数据从内核拷贝到进程空间

其实，阻塞、非阻塞和同步、异步的不同就在于这两个阶段的不同。

同步和异步关注的是消息通信机制

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态

阻塞（blocking IO）

　　linux中，默认情况下socket都是阻塞的，大致过程如下：

　　

如图，进程发起recvform后，内核进行第一阶段准备数据，但是很多时候数据开始时不会全部到达，对于进程来说就处于blocking状态，数据准备好后，内核将数据拷贝到进程空间，拷贝完毕后kernel返回结果，进程结束阻塞状态。即blocking IO两个阶段全部处于blocking状态。

 

非阻塞（non-blocking IO）

　　linux中我们可以设置socket为non-blocking，当发出的IO请求没有完成时，不是把进程转为睡眠态，而是返回一个error。

　　

如图所示，当用户发起read时，数据若没有准备好，kernel会立即返回一个error，不需要等待。当进程收到error（EWOULDBLOCK）后，知道数据还没有准备好，之后继续发送read请求。kernel会继续收到进程的system call请求，直到数据准备好，内核会将数据拷贝到用户进程空间。这种模型需要进程不间断的发起system call请求，这会造成cpu时间的浪费。

 

IO复用（IO Multiplexing）

　　IO复用多数人所知的是select，poll。select/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。大致过程如下：

　　

当用户进程调用了select，整个进程就会被阻塞。同时内核会轮询查看所有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system call，将数据从kernel拷贝到用户进程空间。

这个模型和blocking IO相比，并没有多大的优势，甚至有时候还不如blocking IO。select/poll的优势是可以同时处理多个connection，并不是单个connection处理得更快。

 

异步IO（Asynchronous I/O Model）

　　

用户进程发起system call调用之后，就可以去做其他事了。从kernel的角度，当它收到一个aio_read之后，它会立刻返回，所以不会对用户进程产生blocking。kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，拷贝完成后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

 

blocking和non-blocking的区别：

　　blocking会一直阻塞进程直到操作完成，non-blocking在内核准备数据的时候会立即返回。

 

同步synchronous I/O 和异步asynchronous I/O的区别

　　synchronous io在请求数据的过程中存在阻塞，asynchronous io在请求数据的过程中不存在阻塞。

各种IO模型比较：

　　

如图，blocking，non-blocking，I/O multiplexing均属于synchronous IO。