五种I/O模型简述-创新互联

在说I/O模型之前，我们先来说说同步，异步，阻塞，非阻塞这四种调用方式的概念：

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      同步：在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，通俗点就是必须一件一件的做事，等这件事做完了才能做下一件事；

      异步：异步和同步正好相对，当一个异步过程调用发出后，调用者不能立即得到结果，当该异步调用完成后，通过状态，通知和回调来通知调用者。

      阻塞：阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态之下，cpu不会给线程分配时间片，即线程暂停运行），函数只有在得到结果之后才会返回。

       非阻塞：指我们的调用在不能立即得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立即返回。

上面这几种情况说的通俗点就是下面这几种情况：

       同步：就是我调用一个功能，该功能没有结束前，我就什么也不干，死等结果；

       异步：就是我调用一个功能，不需要知道该功能结果，该功能有结果后通知我（回调通知）；

       阻塞：就是调用一个功能，该功能没有得到结果或接受完数据之前，该功能不会返回；

       非阻塞：就是调用一个功能，该功能立即返回，通过select通知调用者；

同步IO和异步IO的区别：数据拷贝的时候，进程是否阻塞；

阻塞IO和非阻塞IO的区别：应用程序的调用是否立即返回。

我们来总结一下：

      同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直等待直到函数（任务）完成，而进程继续处于激活状态。而异步情况下是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行，当函数返回的时候，通过状态，通知，事件等方式通知进程任务完成。阻塞是当请求不能满足的时候，就将进程挂起，而非阻塞不会阻塞当前进程，即阻塞与非阻塞针对的是进程或线程，而同步与异步针对的是功能函数。

有了上面的理解，我们再分别看看以下的五种I/O模型：

     1.阻塞式I/O模型：进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。应用进程调用一个I/O函数，导致应用进程阻塞，等待数据准备好，如果数据没有准备好，则一直等待，直到数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，I/O函数函数返回成功指示。

下面我们来看看阻塞式I/O模型图，在调用recvfrom函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程：

      当调用recvfrom函数时，系统首先检查是否有数据准备好，如果数据没有准备好，那么系统就处于等待状态，当数据准备好之后，将数据从系统缓冲区复制到用户空间，然后改函数返回。在套接字应用程序中，当调用recvfrom函数时，未必用户空间就已经存在数据，那么此时recvfrom函数就会处于等待状态。

     2.非阻塞式I/O模型：非阻塞式I/O通过进程反复调用IO函数（多次系统调用，并马上返回），在数据拷贝的过程中，进程是阻塞的。我们把一个socket接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样，我们的IO函数将不断地测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，知道数据准备好为止。在不断地测试中，会占用CPU大量的时间。

我们来看看非阻塞式I/O模型图：

      把socket设置为非阻塞模式，就是在通知内核：在调用socket API函数时，不要让线程睡眠，而是让函数立即返回，在返回时，该函数返回一个错误代码。如上图所示，一个非阻塞式套接字多次调用recvfrom函数时，前三次调用该函数时，内核内核数据还没有准备好，该函数立即返回EWOULDBLOCK错误代码。第四次调用recvfrom时，数据已经准备好，被复制到应用程序的缓冲区中，recvfrom函数返回成功指示，应用程序开始处理数据。

      3.I/O复用模型：主要是select或poll，对一个端口两次调用，两次返回，比阻塞I/O并没有什么优越性，关键是能够实现同时对多个IO端口进行监听。I/O复用模型会用到select，poll，epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O不同的是这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

我们来看看I/O复用模型图：

      从上图可以看到，我们阻塞于select调用，等待数据宝套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，我们调用recvfrom把所读数据报复制到应用缓冲区域。

      4.信号驱动式I/O模型：两次调用，两次返回。首先我们允许套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。模型图如下：

      5.异步I/O模型：数据拷贝的时候，进程无需阻塞。当一个异步调用过程发生后，调用者不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态，通知和回调来通知调用者的输入输出操作。在这里我们调用aio_read函数给内核传递描述符，缓冲区指针，缓冲区大小和文件偏移，并告诉内核整个操作完成后，如何通知我们。该系统调用立即返回，而且在等待I/O完成期间，我们的进程不会被阻塞。当内核将数据拷贝到缓冲区后，在通知应用进程。下面是模型图：

我们来总结一下各种I/O模型的比较：

       我们从下图的比较中可以看到，前四种模型的区别主要在意第一阶段，因为他们的第一阶段是一样的：在数据从内核复制到进程的应用缓冲区期间，进程阻塞于recvfrom调用。而异步I/O模型这两个阶段都要处理。

我们的前四种模型都属于同步I/O模型，而第五种模型属于异步I/O模型。

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