前言

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• BIO 、NIO 、AIO 總結(jié)

上篇講 BIO、NIO、AIO 的基本概念以及一些常見問題，介紹了 NIO 是同步非阻塞 ，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)線程可以處理多個(gè)請(qǐng)求(連接)，客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求都會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器selector上，多路復(fù)用器輪詢到連接有IO請(qǐng)求就進(jìn)行處理。那么I/O多路復(fù)用器到底是如何實(shí)現(xiàn)的？本篇我們來一探究竟。

為了加深對(duì) I/O多路復(fù)用機(jī)制 的理解，以及了解到多路復(fù)用也有局限性，本著打破砂鍋問到底的精神，在這里我們先回顧下 Unix網(wǎng)絡(luò)編程中的五種IO模型。下篇再繼續(xù) 對(duì) IO多路復(fù)用進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。

• Blocking IO - 阻塞IO
• NoneBlocking IO - 非阻塞IO
• IO multiplexing - IO多路復(fù)用
• signal driven IO - 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO
• asynchronous IO - 異步IO

Unix網(wǎng)絡(luò)編程中的五種IO模型
阻塞IO - Blocking IO
最傳統(tǒng)的一種IO模型，即在讀寫數(shù)據(jù)過程中會(huì)發(fā)生阻塞現(xiàn)象。

當(dāng)用戶線程發(fā)出IO請(qǐng)求之后，內(nèi)核會(huì)去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有就緒就會(huì)等待數(shù)據(jù)就緒，而用戶線程就會(huì)處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出CPU。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒之后，內(nèi)核會(huì)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除block狀態(tài)。

也許有人會(huì)說，可以采用多線程+ 阻塞IO 來解決效率問題，但是由于在多線程 + 阻塞IO 中，每個(gè)socket對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，這樣會(huì)造成很大的資源占用，并且尤其是對(duì)于長連接來說，線程的資源一直不會(huì)釋放，如果后面陸續(xù)有很多連接的話，就會(huì)造成性能上的瓶頸。

非阻塞IO - NoneBlocking IO
當(dāng)用戶線程發(fā)起一個(gè) IO 操作后，并不需要等待，而是馬上就得到一個(gè)結(jié)果。如果結(jié)果是一個(gè) error 時(shí)，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送 IO 操作。一旦內(nèi)核中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶線程的請(qǐng)求，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶線程，然后返回。

在非阻塞IO 模型中，用戶線程需要不斷地詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，也就說非阻塞IO不會(huì)交出CPU，而會(huì)一直占用CPU。

對(duì)于非阻塞IO就有一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，在while循環(huán)中需要不斷地去詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，這樣會(huì)導(dǎo)致CPU占用率非常高，因此一般情況下很少使用while循環(huán)這種方式來讀取數(shù)據(jù)。

• 非阻塞式主要體現(xiàn)在用戶進(jìn)程發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候,這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)內(nèi)核還沒有接收到數(shù)據(jù)報(bào),直接返回錯(cuò)誤給用戶進(jìn)程,告訴“當(dāng)前還沒有數(shù)據(jù)報(bào)可達(dá),晚點(diǎn)再來”
• 用戶進(jìn)程接收到信息,但是用戶進(jìn)程不知道什么時(shí)候數(shù)據(jù)報(bào)可達(dá),于是就開始不斷輪詢(polling)向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起recvfrom的系統(tǒng)調(diào)用“詢問數(shù)據(jù)來了沒”,如果沒有則繼續(xù)返回錯(cuò)誤
• 用戶進(jìn)程輪詢發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用直至數(shù)據(jù)報(bào)可達(dá),這個(gè)時(shí)候需要等待系統(tǒng)內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)報(bào)到用戶進(jìn)程的緩沖區(qū),復(fù)制完成之后將返回成功提示

IO多路復(fù)用 - IO multiplexing
所謂 I/O 多路復(fù)用機(jī)制，就是說通過一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個(gè)描述符，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是讀就緒或?qū)懢途w），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。這種機(jī)制的使用需要 select 、 poll 、 epoll 來配合。

在多路復(fù)用IO模型中，會(huì)有一個(gè)內(nèi)核線程不斷地去輪詢多個(gè) socket 的狀態(tài)，只有當(dāng)真正讀寫事件發(fā)送時(shí)，才真正調(diào)用實(shí)際的IO讀寫操作。因?yàn)樵诙嗦窂?fù)用IO模型中，只需要使用一個(gè)線程就可以管理多個(gè)socket，系統(tǒng)不需要建立新的進(jìn)程或者線程，也不必維護(hù)這些線程和進(jìn)程，并且只有真正有讀寫事件進(jìn)行時(shí)，才會(huì)使用IO資源，所以它大大減少來資源占用。

• IO復(fù)用模式是使用select或者poll函數(shù)向系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起調(diào)用，阻塞在這兩個(gè)系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用，而不是真正阻塞于實(shí)際的IO操作(recvfrom調(diào)用才是實(shí)際阻塞IO操作的系統(tǒng)調(diào)用)
• 阻塞于select函數(shù)的調(diào)用,等待數(shù)據(jù)報(bào)套接字變?yōu)榭勺x狀態(tài)
• 當(dāng)select套接字返回可讀狀態(tài)的時(shí)候,就可以發(fā)起recvfrom調(diào)用把數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制到用戶空間的緩沖區(qū)

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO - signal driven IO
在信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求操作，會(huì)給對(duì)應(yīng)的socket注冊(cè)一個(gè)信號(hào)函數(shù)，然后用戶線程會(huì)繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)給用戶線程，用戶線程接收到信號(hào)后，便在信號(hào)函數(shù)中調(diào)用IO讀寫操作來進(jìn)行實(shí)際的IO請(qǐng)求操作。這個(gè)一般用于UDP中，對(duì)TCP套接字幾乎沒用，原因是該信號(hào)產(chǎn)生得過于頻繁，并且該信號(hào)的出現(xiàn)并沒有告訴我們發(fā)生了什么請(qǐng)求。

用戶進(jìn)程可以使用信號(hào)方式，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)核描述符就緒時(shí)將會(huì)發(fā)送SIGNO給到用戶空間，這個(gè)時(shí)候再發(fā)起recvfrom的系統(tǒng)調(diào)用等待返回成功提示，流程如下：

• 先開啟套接字的信號(hào)IO啟動(dòng)功能，并通過一個(gè)內(nèi)置安裝信號(hào)處理函數(shù)的signaction系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)發(fā)起調(diào)用之后會(huì)直接返回；
• 其次，等待內(nèi)核從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)報(bào)之后，向用戶空間發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)可達(dá)的信號(hào)給信號(hào)處理函數(shù)；
• 信號(hào)處理函數(shù)接收到信息就發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用等待內(nèi)核數(shù)據(jù)復(fù)制數(shù)據(jù)報(bào)到用戶空間的緩沖區(qū)；
• 接收到復(fù)制完成的返回成功提示之后，應(yīng)用進(jìn)程就可以開始從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)。

異步IO - asynchronous IO
前面四種IO模型實(shí)際上都屬于同步IO，只有最后一種是真正的異步IO，因?yàn)闊o論是多路復(fù)用IO還是信號(hào)驅(qū)動(dòng)模型，IO操作的第2個(gè)階段都會(huì)引起用戶線程阻塞，也就是內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝的過程都會(huì)讓用戶線程阻塞。

• 由POSIX規(guī)范定義，告知系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)某個(gè)操作，并讓內(nèi)核在整個(gè)操作包含數(shù)據(jù)等待以及數(shù)據(jù)復(fù)制過程的完成之后通知用戶進(jìn)程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，可以進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)；
• 與上述的信號(hào)IO模型區(qū)分在于異步是通知我們何時(shí)IO操作完成,而信號(hào)IO是通知我們何時(shí)可以啟動(dòng)一個(gè)IO操作

總結(jié)
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)服務(wù)器操作系統(tǒng)大部分都是基于linxu實(shí)現(xiàn),為處理高并發(fā)而采取NIO的模型,對(duì)于支持異步IO模型的系統(tǒng)持有不確定因素。

詳見 BIO 、NIO 、AIO 總結(jié)

同步與異步的定義

• 同步:發(fā)起一個(gè)fn的調(diào)用,需要等待調(diào)用結(jié)果返回,該調(diào)用結(jié)果要么是期望的結(jié)果要么是異常拋出的結(jié)果,可以說是原子性操作(要么成功要么失敗返回)
• 異步: 發(fā)起一個(gè)fn調(diào)用,無需等待結(jié)果就直接返回,只有當(dāng)被調(diào)用者執(zhí)行處理程序之后通過“喚醒”手段通知調(diào)用方獲取結(jié)果(喚醒的方式有回調(diào),事件通知等)
• 小結(jié): 同步和異步關(guān)注的是程序之間的通信

阻塞與非阻塞的定義

• 阻塞: 類比線程阻塞來說明,在并發(fā)多線程爭搶資源的競態(tài)條件下,如果有一個(gè)線程已持有鎖,那么當(dāng)前線程將無法獲取鎖而被掛起,處于等待狀態(tài)
• 非阻塞: 一旦線程釋放鎖,其他線程將會(huì)進(jìn)入就緒狀態(tài),具備爭搶鎖的資格
• 小結(jié): 阻塞與非阻塞更關(guān)注是程序等待結(jié)果的狀態(tài)
• 由此可知,同步異步與阻塞非阻塞之間不存在關(guān)聯(lián),關(guān)注的目標(biāo)是不一樣的

同步IO與異步IO(基于POSIX規(guī)范)

• 同步IO: 表示應(yīng)用進(jìn)程發(fā)起真實(shí)的IO操作請(qǐng)求(recvfrom)導(dǎo)致進(jìn)程一直處于等待狀態(tài),這時(shí)候進(jìn)程被阻塞,直到IO操作完成返回成功提示
• 異步IO: 表示應(yīng)用進(jìn)程發(fā)起真實(shí)的IO操作請(qǐng)求(recvfrom)導(dǎo)致進(jìn)程將直接返回一個(gè)錯(cuò)誤信息,“相當(dāng)于告訴進(jìn)程還沒有處理好,好了會(huì)通知你”
• 阻塞IO: 主要是體現(xiàn)發(fā)起IO操作請(qǐng)求通知內(nèi)核并且內(nèi)核接收到信號(hào)之后如果讓進(jìn)程等待,那么就是阻塞
• 非阻塞IO: 發(fā)起IO操作請(qǐng)求的時(shí)候不論結(jié)果直接告訴進(jìn)程“不用等待,晚點(diǎn)再來”,那就是非阻塞

IO模型對(duì)比

• 根據(jù)上述的同步與異步IO定義并結(jié)合上述的模型可知,只有異步IO模型符合POSIX規(guī)范的異步IO,其他IO模型都存在recvfrom系統(tǒng)調(diào)用被內(nèi)核阻塞,屬于同步IO操作
• 由此可知,阻塞IO與非阻塞IO可總結(jié)如下:
• 也就是說,要么稱為同步與異步IO,要么稱為上述5種模型的IO說法,注意上述的同步與異步的概念
• 大部分操作系統(tǒng)都是基于同步IO的方式實(shí)現(xiàn),對(duì)于支持異步IO模型的操作系統(tǒng)還不確定,在實(shí)際工作我們經(jīng)常會(huì)說Blocking-IO(阻塞IO)和Non-Blocking-IO(非阻塞IO),極少稱同步IO與異步IO
• 小結(jié): 同步與異步針對(duì)通信機(jī)制,阻塞與非阻塞針對(duì)程序調(diào)用等待結(jié)果的狀態(tài)

一句話總結(jié)：

• 阻塞IO與非阻塞IO

           這是最簡單的模型，一般配合多線程來實(shí)現(xiàn)。

• 多路復(fù)用(select/poll/epoll)

           一個(gè)線程解決多連接的問題

• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型

           一種同步IO，更加靈活

• 異步IO模型

           高效主流的模型，效率很高。

新聞名稱：I/O多路復(fù)用底層原理前篇-五種IO模型
文章地址：http://uogjgqi.cn/article/cohpocc.html