前言

在《Unix網絡編程》一書中提到了五種IO模型，分別是：阻塞IO、非阻塞IO、IO復用、信號驅動IO以及異步IO。本篇文章主要介紹IO的基本概念以及阻塞IO、非阻塞IO、IO復用三種模型，供大家參考學習。

一、什么是IO

計算機視角理解IO:

對于計算機而言，任何涉及到計算機核心（CPU和內存）與其他設備間的數據轉移的過程就是IO。IO對于計算機而言有兩層意思:

IO 設備:比如我們最常見的打印機、鼠標、鍵盤。

對IO設備的數據讀寫。

程序視角理解IO:

現代操作系統將空間劃分為用戶空間和內核空間。

用戶空間:非內核應用程序則運行在用戶空間。用戶空間中的代碼運行在較低的特權級別上，不能直接訪問內核空間和硬件設備。

內核空間:操作系統的核心，是操作系統工作的基礎，它負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統，決定著系統的性能和穩(wěn)定性。

操作系統為了能夠正常平穩(wěn)地運行下去，它是不會允許應用程序隨意訪問計算機硬件部分，如內存、硬盤、網卡，應用程序必須通過操作系統提供的API來訪問，以達到安全的訪問控制。

總結:IO對于應用程序而言，強調的是通過向內核發(fā)起系統調用完成對I/O的間接訪問。

應用程序發(fā)起一次IO訪問分為兩個階段:

IO調用階段：應用程序向內核發(fā)起系統調用。

IO執(zhí)行階段：內核執(zhí)行IO操作并返回。

數據準備階段：內核等待IO設備準備好數據

數據拷貝階段：將數據從內核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間緩沖區(qū)

二、阻塞IO模型

阻塞I/O模型是最常見的IO模型，其流程圖如下所示。

應用程序發(fā)起一個系統調用（recvform），這個時候應用程序會一直阻塞下去，直到內核把數據準備好，并將其從內核復制到用戶空間，復制完成后返回成功提示，這個時候應用程序才會繼續(xù)處理數據。

優(yōu)點:模型簡單，實現難度低，適用于并發(fā)量較小的應用開發(fā)。

缺點:IO調用階段和IO執(zhí)行階段都會阻塞。

典型的阻塞I/0模型的例子為data=socket.read()，如果內核數據沒有準備就緒，Socket線程就會一直阻塞在read()中等待內核數據就緒。

生活場景:某天，你跟你女朋友去奶茶店買奶茶，點完奶茶后后，由于你們不知道奶茶什么時候才能做好，所以你們就只能一直等著，其他什么事情也不能干。

三、非阻塞 IO模型

在非阻塞IO模型中，應用進程需要不斷詢問內核數據是否就緒，在內核數據還未就緒時，應用進程還可以做其他事情。

從上圖可以看出， 非阻塞IO模型需要應用進程不斷地主動詢問內核數據是否已準備好了。

優(yōu)點:模型簡單，實現難度低;與阻塞IO模型對比，它在等待數據報的過程中，進程并沒有阻塞，它可以做其他的事情。

缺點:輪詢發(fā)送 recvform，消耗CPU 資源。

生活場景:你和你女朋友去奶茶店買奶茶，吸取了上一次的教訓，點完奶茶后順便去逛了逛商場。由于你們擔心會錯過取餐，所以你們就每隔一段時間就來問下服務員，你們的奶茶做好了沒有，來來回回好多回，若干次后，終于問到奶茶已經準備好了，然后你們就開心的喝了起來。

四、IO復用模型

非阻塞IO模型需要進程不斷地輪詢發(fā)起recvform系統調用，就會有很多的線程不斷調用recvfrom 請求數據，先不說服務器能不能扛得住這么多線程，就算扛得住那么很明顯這種方式是不是太浪費資源了，線程是我們操作系統的寶貴資源，大量的線程用來去讀取數據了，那么就意味著能做其它事情的線程就會少。

例如:你是奶茶店的服務員，每個人點好奶茶后，每隔幾分鐘就來問你一次好了沒有，隨著問的人越來越多，你可能會開始懷疑人生。那么有沒有什么好的解決辦法呢?

答案:不需要所有進程輪詢來發(fā)起recvform來查詢數據是否已經準備好了，而是有人幫忙來詢問，這個幫忙的人就是select。

IO復用模型如下所示:

多個進程的IO注冊到一個復用器（select）上，select 會監(jiān)聽所有注冊進來的IO。如果內核的數據報沒有準備好，調用select 的進程將會被阻塞，而當任一IO在內核緩沖區(qū)中有數據，select調用就會返回可讀條件，然后進程再進行recvform系統調用，內核將數據拷貝到用戶空間，注意這個過程是阻塞的。

注意:IO 復用模型在第一個階段和第二個階段其實都有阻塞，第一個階段阻塞于 select 調用，第二個階段阻塞于數據復制。

優(yōu)點:適用于高并發(fā)應用程序。

缺點:模型復雜，實現、開發(fā)難度較大。

生活場景:如果每個人都過一會就來問一下奶茶好了沒有，奶茶店的壓力也太大了。于是奶茶店想到了一個辦法，找一個中間人(select)擋在奶茶店前面，顧客(應用進程)詢問那個中間人奶茶好了沒有(對應多個進程的IO注冊到一個復用器（select）上)，如果沒有好就讓顧客等待(應用進程阻塞于 select 調用)。中間人持續(xù)查看顧客的奶茶是否準備好，如果有一個人的奶茶準備好了就會去通知那個人可以取了(而當任一IO在內核緩沖區(qū)中有數據，select調用就會返回可讀條件，然后進程再進行recvform系統調用)。

總結

學習IO模型時，必須要把每個模型聯系起來看，比如阻塞IO模型會阻塞較長時間，而非阻塞IO在等待數據報的過程中，進程并沒有阻塞，它可以做其他的事情。IO復用模型可以很好的降低服務器的壓力，且在連接數眾多且消息體不大的情況下有很大的優(yōu)勢。

審核編輯：劉清