【IO】IO模型：Linux下的五种IO模型

Linux 提供了五种 IO 模型，包括：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO、异步IO。

当用户进程请求I/O操作，发起对socket套接字的读操作时，该用户进程会执行一个系统调用，将本进程的控制权移交给内核。在unix操作系统中，一个IO操作主要经过两个阶段：

等待数据准备；等数据流到来后，会将它从网卡复制到内核空间的缓冲区（阶段一）
将数据从内核空间拷贝到用户进程中；将数据从内核缓冲区向用户进程缓冲区复制（阶段二）

PS：当进程运行在内核态时，会产生上下文切换，并且在应用程序看来，其自身用户进程此时是阻塞等待的

1.阻塞 IO 模型

Linux操作系统中，这就是一种最简单的IO模型，即阻塞IO。一般表现为进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作。

当用户线程发出 IO 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出 CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除 block 状态。

典型的阻塞 IO 模型的例子为：

data = socket.read();

如果数据没有就绪，就会一直阻塞在 read 方法。

recvfrom 是 Linux 系统提供给用户用于接收网络IO的系统接口，作用是从套接字上接收一个消息。
ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,size_t len,unsigned int flags, struct sockaddr *from,socket_t *fromlen);
成功执行时，返回接收到的字节数
另一端已关闭时，返回0
失败返回-1，errno被设为以下的某个值
EAGAIN：套接字已标记为非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超时
EBADF：sock不是有效的描述词
ECONNREFUSE：远程主机阻绝网络连接
EFAULT：内存空间访问出错
EINTR：操作被信号中断
EINVAL：参数无效
ENOMEM：内存不足
ENOTCONN：与面向连接关联的套接字尚未被连接上
ENOTSOCK：sock索引的不是套接字

recvfrom 很关键，因为前4种IO模型都设计此系统调用。

2.非阻塞 IO 模型

当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

所以事实上，在非阻塞 IO 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞 IO 不会交出 CPU，而会一直占用 CPU。

典型的非阻塞 IO 模型一般如下：

while(true){
	data = socket.read();   
	if(data!= error){
		process(data);
         break;
    }   
}

但是对于非阻塞 IO 就有一个非常严重的问题，在 while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致 CPU 占用率非常高，因此一般情况下很少使用 while 循环这种方式来读取数据。

3.多路复用 IO 模型

多路复用 IO 模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO 实际上就是多路复用 IO。

在多路复用 IO 模型中，会有一个线程不断去轮询多个 socket 的状态，只有当 socket 真正有读写事件时，才真正调用实际的 IO 读写操作。因为在多路复用 IO 模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个 socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有 socket 读写事件进行时，才会使用 IO 资源，所以它大大减少了资源占用。

在 Java NIO 中，是通过 selector.select () 去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

也许有朋友会说，我可以采用多线程 + 阻塞 IO 达到类似的效果，但是由于在多线程 + 阻塞 IO 中，每个 socket 对应一个线程，这样会造成很大的资源占用，并且尤其是对于长连接来说，线程的资源一直不会释放，如果后面陆续有很多连接的话，就会造成性能上的瓶颈。

而多路复用 IO 模式，通过一个线程就可以管理多个 socket，只有当 socket 真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用 IO 比较适合连接数比较多的情况。

另外多路复用 IO 为何比非阻塞 IO 模型的效率高是因为在非阻塞 IO 中，不断地询问 socket 状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用 IO 中，轮询每个 socket 状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。

不过要注意的是，多路复用 IO 模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用 IO 模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

4.信号驱动 IO 模型

在信号驱动 IO 模型中，当用户线程发起一个 IO 请求操作，会给对应的 socket 注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用 IO 读写操作来进行实际的 IO 请求操作。这个一般用于 UDP 中，对 TCP 套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情

5.异步 IO 模型

异步 IO 模型才是最理想的 IO 模型，在异步 IO 模型中，当用户线程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个 asynchronous read 之后，它会立刻返回，说明 read 请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何 block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它 read 操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个 IO 操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示 IO 操作已经完成，可以直接去使用数据了。

也就说在异步 IO 模型中，IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用 IO 函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用 IO 函数进行实际的读写操作；而在异步 IO 模型中，收到信号表示 IO 操作已经完成，不需要再在用户线程中调用 iO 函数进行实际的读写操作。