IO模型

Posted 2020-07-28

彼岸船夫

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    关于网络IO的模型涉及到的阻塞、非阻塞、同步、异步真的是让人一头雾水啊。

    首先要了解需求，这个IO模型能够解决什么问题，在我理解就是，当应用程序要使用系统资源，但是这个资源又被占用或者没准备好的时候应该怎么办。比如说你读取个几十兆的文件，不可能瞬间就拿到手，因为用户进程不能直接访问磁盘，所以要通过内核的系统调用读取，这个内核读取的过程就是用户进程等待的过程。等待内核读取后将数据从内核内存复制到进程内存。

首先要明白的就是应用程序使用系统资源的一个过程，进程无法直接操作IO设备（磁盘），需要通过系统调用请求内核完成操作，主要有两步：
第一步：请求，应用程序发起系统调用请求资源，内核将磁盘数据获取到内核内存空间。
第二步：操作，内核获取到数据保存在内核空间，将数据拷贝到应用程序的内存空间的实际操作。

    然后就是阻塞和非阻塞的问题了。很容易跟同步、异步混淆。
什么是阻塞？就是程序执行流程过来的时候你把它扣押起来，让它哪都不能去，什么也干不了。简单来说就是一个操作能不能立刻得到回应，可以立刻得到返回就是非阻塞，只要是需要等待，那就是阻塞。而阻塞会存在于以上两个步骤，即请求的时候可能被阻塞，实际复制数据的时候也可能被阻塞。

    那么同步异步的问题呢，有些说同步会把应用程序进程阻塞，异步不会，那同步和阻塞不就一样了么。其实这里按照我的理解就是，同步异步只是对于上述第二个步骤（IO操作）而言的（内核从磁盘中读数据也要等待啊)。

    引用“ 两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个系统调用。non-blocking IO在执行recvfrom这个系统调用的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。 ”

    我理解同步和异步的区分就在于IO复制的时候是否阻塞，阻塞则为同步。但网络中看到两种说法，IO复用有说是同步的，也有说是异步的。觉得执着于同步异步阻塞非阻塞的名词区分有点死板，关键知道他们各自是如何工作的，有哪些优缺点，解决实际问题的应用就可以了。

下面两张图片取自open文档--网络I/O模型剖析.pdf

这里推荐一篇挺好的博文：《IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇） 》，而各个模型的具体代码可以参阅《几种服务器端IO模型的简单介绍及实现》

那么就简单说说各个模型，图片来源于UNIX网络编程一书

1、阻塞IO

2、非阻塞IO：

3、IO复用：

4、信号驱动IO：

对比I/O复用进程在第一阶段不用被阻塞。对比异步IO，信号通知是在复制到内核内存后，后者是复制到进程内存后才通知。

5、异步IO：

根据上述做个简单的举例，就以一个买报纸比喻为数据的读取，但是报纸不是你想买就有的，如果没有（即进程读取数据时，系统并未准备好数据），那应该怎么办。针对上述描述有几种解决方案

1、阻塞I/O， 一天早上你大老早去找报摊老伯买当天报纸，结果告诉你，你来得太早了想要的报纸还没有（也就是进程想要读取的数据被其他占用了，不能马上得到想要的数据），这个时候你就干脆等着，等老板什么时候拿到报纸再给你，老板给你一张小板凳，你什么事情都不做，坐等拿到报纸后就撤退！这里的阻塞分了两部分，一个是你等老板（IO的请求），另一个是老板也在等送报人按照订购清单派发后清点种类和数量（IO操作，内核从磁盘提取数据），你们两个人都在等，所以两个阶段都是阻塞的。

2、非阻塞I/O, 这种情况是你老板没有小板凳，而你也不想一直等着，等着的时间浪费了还不如干点其他事情。所以你先离开了，然后每隔一段时间就跑回来看看想要的报纸有没有，这种不是一直等待的就是非阻塞，可是对于老板来说他也要等着从送报员手中收到报纸，这过程对于老板也算是阻塞（你最后一次问老板，老板告诉你报纸已经有了，就相当于数据已经复制到内核的缓冲区），而老板虽然告诉你已经有你要报纸，但是老板最后还需要从一堆报纸中找到给你（这是IO的实际操作了，相当于内核从磁盘读取数据，读取完之后再进行的第二个个步骤，从内核复制到进程内存），老板找的过程你就一直等待，所以虽然是非阻塞，但因为第二个步骤你要等待即为同步。

3、I/O多路复用， 上面第二种方式可以发现有很大缺陷了，你需要不断地去看报纸送到老板手上了没有，一来二去的想想都累，尤其是当你要的多份报纸要在几个地方才能买到（多路复用更适用于多个IO的情景），这样你就需要每个地方反复的去看一遍有没有到货，累成狗了吧。这个时候多路复用的功能就是，你找个人来帮你跑，这个人会定时地将每个报亭的报纸是否有库存记录下来，你要做的事情只需要老老实实待在你和中介的见面点喝茶（阻塞，进程受阻于select调用），一旦发现中介跑回来的就向他询问，当某次得知所有报亭都已经到货，你就可以走一圈买到所有报纸。

4、信号驱动， 上面虽然不用亲自跑到各个报刊亭了解情况，但是仍然需要一直等待中介代理人给你信息，还是避免不了等待的麻烦，于是你直接让老板在有你想要的报纸的时候主动通知你，你再去拿报纸。这样就好多了，你足不出户就知天下事，该出手时就出手，保证每次都可以在报刊亭的报纸到达时就去取。可是取报纸的时候还是需要等待老板去翻找。

5、异步I/O, 这个就是高科技了，你去报刊亭问老板有没有你想要的报纸，老板说还没有，然后你就不等了，去干其他事情，你也不需要反复去询问最新情况了，当老板收到了报纸的时候，会给你送货上门，一站式服务啊！你也不用到现场等待老板从茫茫报纸中翻出你要的。异步就是一件事情分开两个独立的步骤去完成，当数据准备好了，你不一定马上去获取，可以先把手头上的其他事情做完再去，所以请求和获取不是同时作为一个整体运作的。同步呢就是把一件事作为一个整体，一个请求过去，必须要等到结果才返回。

以上几种情况的举例纯属基于个人浅显的理解，如有不当之处欢迎提出共同学习。另外有篇文章写得还是不错的 chinaunix--网络IO模型：同步IO和异步IO，阻塞IO和非阻塞IO

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2018.2.8更新：用偏向程序开发的角度理解IO模型，Linux的I/O模式、事件驱动编程模型