Linux的5种IO模型梳理

文章导读

• 基本概念（相关系统调用函数，同步&异步，阻塞&非阻塞）
• 阻塞IO模型
• 非阻塞IO模型
• IO多路复用模型
• 信号驱动IO模型
• 异步IO模型
• Java中的BIO，NIO，AIO

一、基本概念

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。

首先需要了解下系统调用的几个函数和基本概念。

1.1 简单介绍几个系统调用函数

由于我对于C语言不熟悉，几个系统函数参考了一些文章，如果错误欢迎指出！

recvfrom
Linux系统提供给用户用于接收网络IO的系统接口。从套接字上接收一个消息，可同时应用于面向连接和无连接的套接字。

如果此系统调用返回值<0，并且 errno为EWOULDBLOCK或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 ）时，连接正常，阻塞接收数据（这很关键，前4种IO模型都设计此系统调用）。

select
select系统调用允许程序同时在多个底层文件描述符上，等待输入的到达或输出的完成。以数组形式存储文件描述符，64位机器默认2048个。当有数据准备好时，无法感知具体是哪个流OK了，所以需要一个一个的遍历，函数的时间复杂度为O(n)。

poll
以链表形式存储文件描述符，没有长度限制。本质与select相同，函数的时间复杂度也为O(n)。

epoll
是基于事件驱动的，如果某个流准备好了，会以事件通知，知道具体是哪个流，因此不需要遍历，函数的时间复杂度为O(1)。

sigaction
用于设置对信号的处理方式，也可检验对某信号的预设处理方式。Linux使用SIGIO信号来实现IO异步通知机制。

1.2 同步&异步

同步和异步是针对应用程序和内核交互而言的，也可理解为被**被调用者（操作系统）**的角度来说。
同步是用户进程触发IO操作并等待或轮询的去查看是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知，需要CPU支持

1.3 阻塞&非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，也可理解为**调用者（程序）**角度来说。根据IO操作的就绪状态来采取的不同的方式。
阻塞方式下读取或写入方法将一直等待，而非阻塞方式下读取或写入方法会立即返回一个状态值。

下午撸代码饿了，好久没吃KFC了，决定去整个全家桶 ，这一切都要从一个全家桶说起~

我跑去肯德基买全家桶，但是很不巧，轮到我时，全家桶卖完了，我只能等着新做一份 ...

二、阻塞IO模型

学习过操作系统的知识后，可以知道：不管是网络IO还是磁盘IO，对于读操作而言，都是等到网络的某个数据分组到达后/数据准备好后，将数据拷贝到内核空间的缓冲区中，再从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区。
有关操作系统的知识可以参考我之前写的操作系统相关文章~

拓展阅读：
https://www.cnblogs.com/sunsky303/p/8962628.html

此时我已饥渴难耐，全程盯着后厨，等待着一分一秒（别多想 ），终于全家桶做好了，在此期间虽然什么事也没干，但是最后能吃到全家桶，我很幸福。
此处需要一个清新的脑回路，我就是程序，我想要全家桶，于是发起了系统调用，而后厨加工的过程就是在做数据准备和拷贝工作。全家桶最终到手，数据终于从内核空间拷贝到了用户空间。

简单看下执行流程：

阻塞IO模型

接下来发挥看图说话的专长了：阻塞IO的执行过程是进程进行系统调用，等待内核将数据准备好并复制到用户态缓冲区后，进程放弃使用CPU并一直阻塞在此，直到数据准备好。

三、非阻塞IO模型

此时我每隔5分钟询问全家桶好了没，在数次盘问后，终于出炉了。在每一次盘问之前，对于程序来说是非阻塞的，占用CPU资源，可以做其他事情。

每次应用程序询问内核是否有数据准备好。如果就绪，就进行拷贝操作；如果未就绪，就不阻塞程序，内核直接返回未就绪的返回值，等待用户程序下一个轮询。

非阻塞IO模型

大致经历两个阶段：

• 等待数据阶段：未阻塞， 用户进程需要盲等，不停的去轮询内核。
• 数据复制阶段：阻塞，此时进行数据复制。

在这两个阶段中，用户进程只有在数据复制阶段被阻塞了，而等待数据阶段没有阻塞，但是用户进程需要盲等，不停地轮询内核，看数据是否准备好。

四、IO多路复用模型

排了很长的队，终于轮到我支付后，拿到了一张小票，上面有号次。当全家桶出炉后，会喊相应的号次来取。KFC营业员小姐姐打小票出号次的动作相当于操作系统多开了个线程，专门接收客户端的连接。我只关注叫到的是不是我的号，因此程序还需在服务端注册我想监听的事件类型。

多路复用一般都是用于网络IO，服务端与多个客户端的建立连接。下面是神奇的多路复用执行过程：

IO多路复用模型

相比于阻塞IO模型，多路复用只是多了一个select/poll/epoll函数。select函数会不断地轮询自己所负责的文件描述符/套接字的到达状态，当某个套接字就绪时，就对这个套接字进行处理。select负责轮询等待，recvfrom负责拷贝。当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有IO都没注册好，调用进程就阻塞。

对于客户端来说，一般感受不到阻塞，因为请求来了，可以用放到线程池里执行；但对于执行select的操作系统而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某个套接字变为可读。

IO多路复用其实是阻塞在select，poll，epoll这类系统调用上的，复用的是执行select，poll，epoll的线程。

五、信号驱动IO模型

跑KFC嫌麻烦，刚好有个会员，直接点份外卖，美滋滋。当外卖送达时，会收到取餐电话（信号）。在收到取餐电话之前，我可以愉快地吃鸡或者学习。

当数据报准备好的时候，内核会向应用程序发送一个信号，进程对信号进行捕捉，并且调用信号处理函数来获取数据报。

信号驱动IO模型

该模型也分为两个阶段：

• 数据准备阶段：未阻塞，当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，对用户进程做一个回调。
• 数据拷贝阶段：阻塞用户进程，等待数据拷贝。

六、异步IO模型

此时科技的发展已经超乎想象了，外卖机器人将全家桶自动送达并转换成营养快速注入我的体内，同时还能得到口感的满足。注入结束后，机器人会提醒我注入完毕。在这个期间我可以放心大胆的玩，甚至注射的时候也不需要停下来！

类比一下，就是用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其他的事情，然后直到I/O数据准备好并复制完成后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。

异步IO模型

特点：

1. 异步I/O执行的两个阶段**都不会阻塞读写操作，**由内核完成。
2. 完成后内核将数据放到指定的缓冲区，通知应用程序来取。

七、Java中的BIO，NIO，AIO

操作系统的IO模型是底层基石，Java对于IO的操作其实就是进一步的封装。适配一些系统调用方法，让我们玩地更爽。
BIO，NIO，AIO涉及相关实操代码已收录至我的github，欢迎star~

7.1 BIO--同步阻塞的编程方式

JDK1.4之前常用的编程方式。
实现过程：首先在服务端启动一个ServerSocket来监听网络请求，客户端启动Socket发起网络请求，默认情况下ServerSocket会建立一个线程来处理此请求，如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝，并发效率比较低。

服务器实现的模式是一个连接一个线程，若有客户端有连接请求服务端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。当然，也可以通过线程池机制改善。

使用场景
BIO适用于连接数目比较小且固定的架构，对服务器资源要求高，并发局限于应用中。

7.2 NIO--同步非阻塞的编程方式

7.2.1 NIO简介

NIO 本身是基于事件驱动思想来完成的，当 socket 有流可读或可写入时，操作系统会相应地通知应用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。一个有效的请求对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

服务器实现模式为一个请求一个通道，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处

使用场景
NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程复杂，JDK1.4 开始支持。

7.2.2 NIO中的几种重要角色

有缓冲区Buffer，通道Channel，多路复用器Selector。

7.2.2.1 Buffer

在NIO库中，所有数据都是用缓冲区（用户空间缓冲区）处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

Buffer的应用固定逻辑

相关的代码我会更新至github~

写操作顺序

1. clear()
2. put() -> 写操作
3. flip() ->重置游标
4. SocketChannel.write(buffer); ->将缓存数据发送到网络的另一端
5. clear()

读操作顺序

1. clear()
2. SocketChannel.read(buffer); ->从网络中读取数据
3. buffer.flip()
4. buffer.get() ->读取数据
5. buffer.clear()

7.2.2.2 Channel

nio中对数据的读取和写入要通过Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。

7.2.2.3 Selector

多路复用器，用于注册通道。客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理

7.3 AIO--异步非阻塞编程方式

进行读写操作时，只须直接调用api的read或write方法即可。一个有效请求对应一个线程，客户端的IO请求都是OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

使用场景
AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK1.7 开始支持。

总结

从效率上来说，可以简单理解为阻塞IO<非阻塞IO<多路复用IO<信号驱动IO<异步IO。从同步和异步来说，只有异步IO模型是异步的，其他均为同步。