前言

在《Unix網(wǎng)絡(luò)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(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(fù)用三種模型，供大家參考學(xué)習(xí)。

一、什么是IO

計(jì)算機(jī)視角理解IO:

對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，任何涉及到計(jì)算機(jī)核心（CPU和內(nèi)存）與其他設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的過程就是IO。IO對(duì)于計(jì)算機(jī)而言有兩層意思:

IO 設(shè)備:比如我們最常見的打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤。

對(duì)IO設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫。

程序視角理解IO:

現(xiàn)代操作系統(tǒng)將空間劃分為用戶空間和內(nèi)核空間。

用戶空間:非內(nèi)核應(yīng)用程序則運(yùn)行在用戶空間。用戶空間中的代碼運(yùn)行在較低的特權(quán)級(jí)別上，不能直接訪問內(nèi)核空間和硬件設(shè)備。

內(nèi)核空間:操作系統(tǒng)的核心，是操作系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

操作系統(tǒng)為了能夠正常平穩(wěn)地運(yùn)行下去，它是不會(huì)允許應(yīng)用程序隨意訪問計(jì)算機(jī)硬件部分，如內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡，應(yīng)用程序必須通過操作系統(tǒng)提供的API來訪問，以達(dá)到安全的訪問控制。

總結(jié):IO對(duì)于應(yīng)用程序而言，強(qiáng)調(diào)的是通過向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用完成對(duì)I/O的間接訪問。

應(yīng)用程序發(fā)起一次IO訪問分為兩個(gè)階段:

IO調(diào)用階段：應(yīng)用程序向內(nèi)核發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用。

IO執(zhí)行階段：內(nèi)核執(zhí)行IO操作并返回。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：內(nèi)核等待IO設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)拷貝階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)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(yīng)用程序發(fā)起一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用（recvform），這個(gè)時(shí)候應(yīng)用程序會(huì)一直阻塞下去，直到內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并將其從內(nèi)核復(fù)制到用戶空間，復(fù)制完成后返回成功提示，這個(gè)時(shí)候應(yīng)用程序才會(huì)繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。

優(yōu)點(diǎn):模型簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)難度低，適用于并發(fā)量較小的應(yīng)用開發(fā)。

缺點(diǎn):IO調(diào)用階段和IO執(zhí)行階段都會(huì)阻塞。

典型的阻塞I/0模型的例子為data=socket.read()，如果內(nèi)核數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備就緒，Socket線程就會(huì)一直阻塞在read()中等待內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒。

生活場(chǎng)景:某天，你跟你女朋友去奶茶店買奶茶，點(diǎn)完奶茶后后，由于你們不知道奶茶什么時(shí)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(yīng)用進(jìn)程需要不斷詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，在內(nèi)核數(shù)據(jù)還未就緒時(shí)，應(yīng)用進(jìn)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(yīng)用進(jìn)程不斷地主動(dòng)詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否已準(zhǔn)備好了。

優(yōu)點(diǎn):模型簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)難度低;與阻塞IO模型對(duì)比，它在等待數(shù)據(jù)報(bào)的過程中，進(jìn)程并沒有阻塞，它可以做其他的事情。

缺點(diǎn):輪詢發(fā)送 recvform，消耗CPU 資源。

生活場(chǎng)景:你和你女朋友去奶茶店買奶茶，吸取了上一次的教訓(xùn)，點(diǎn)完奶茶后順便去逛了逛商場(chǎng)。由于你們擔(dān)心會(huì)錯(cuò)過取餐，所以你們就每隔一段時(shí)間就來問下服務(wù)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(jīng)準(zhǔn)備好了，然后你們就開心的喝了起來。

四、IO復(fù)用模型

非阻塞IO模型需要進(jìn)程不斷地輪詢發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用，就會(huì)有很多的線程不斷調(diào)用recvfrom 請(qǐng)求數(shù)據(jù)，先不說服務(wù)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(fèi)資源了，線程是我們操作系統(tǒng)的寶貴資源，大量的線程用來去讀取數(shù)據(jù)了，那么就意味著能做其它事情的線程就會(huì)少。

例如:你是奶茶店的服務(wù)員，每個(gè)人點(diǎn)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(huì)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(jìn)程輪詢來發(fā)起recvform來查詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了，而是有人幫忙來詢問，這個(gè)幫忙的人就是select。

IO復(fù)用模型如下所示:

多個(gè)進(jìn)程的IO注冊(cè)到一個(gè)復(fù)用器（select）上，select 會(huì)監(jiān)聽所有注冊(cè)進(jìn)來的IO。如果內(nèi)核的數(shù)據(jù)報(bào)沒有準(zhǔn)備好，調(diào)用select 的進(jìn)程將會(huì)被阻塞，而當(dāng)任一IO在內(nèi)核緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，select調(diào)用就會(huì)返回可讀條件，然后進(jìn)程再進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，注意這個(gè)過程是阻塞的。

注意:IO 復(fù)用模型在第一個(gè)階段和第二個(gè)階段其實(shí)都有阻塞，第一個(gè)階段阻塞于 select 調(diào)用，第二個(gè)階段阻塞于數(shù)據(jù)復(fù)制。

優(yōu)點(diǎn):適用于高并發(fā)應(yīng)用程序。

缺點(diǎn):模型復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)、開發(fā)難度較大。

生活場(chǎng)景:如果每個(gè)人都過一會(huì)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(gè)辦法，找一個(gè)中間人(select)擋在奶茶店前面，顧客(應(yīng)用進(jìn)程)詢問那個(gè)中間人奶茶好了沒有(對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程的IO注冊(cè)到一個(gè)復(fù)用器（select）上)，如果沒有好就讓顧客等待(應(yīng)用進(jìn)程阻塞于 select 調(diào)用)。中間人持續(xù)查看顧客的奶茶是否準(zhǔn)備好，如果有一個(gè)人的奶茶準(zhǔn)備好了就會(huì)去通知那個(gè)人可以取了(而當(dāng)任一IO在內(nèi)核緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)，select調(diào)用就會(huì)返回可讀條件，然后進(jìn)程再進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用)。

總結(jié)

學(xué)習(xí)IO模型時(shí)，必須要把每個(gè)模型聯(lián)系起來看，比如阻塞IO模型會(huì)阻塞較長(zhǎng)時(shí)間，而非阻塞IO在等待數(shù)據(jù)報(bào)的過程中，進(jìn)程并沒有阻塞，它可以做其他的事情。IO復(fù)用模型可以很好的降低服務(wù)器的壓力，且在連接數(shù)眾多且消息體不大的情況下有很大的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清