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我們?cè)谶M(jìn)行編程開(kāi)發(fā)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)涉及到同步，異步，阻塞，非阻塞，IO多路復(fù)用等概念，這幾個(gè)概念有區(qū)別，但是有時(shí)候也容易混淆，如果不總結(jié)一下的話很容易受到困擾，下面就記錄一下這幾個(gè)概念的理解。

Unix網(wǎng)絡(luò)編程中的五種IO模型

• 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

由于signal driven IO在實(shí)際使用中并不常用，所以這里只討論剩下的四種IO模型。

在討論之前先說(shuō)明一下IO發(fā)生時(shí)涉及到的對(duì)象和步驟，對(duì)于一個(gè)network IO，它會(huì)涉及到兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)象：

• application 調(diào)用這個(gè)IO的進(jìn)程

• kernel 系統(tǒng)內(nèi)核

那他們經(jīng)歷的兩個(gè)交互過(guò)程是：

• 階段1 wait for data 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

• 階段2 copy data from kernel to user 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶(hù)進(jìn)程中

之所以會(huì)有同步、異步、阻塞和非阻塞這幾種說(shuō)法就是根據(jù)程序在這兩個(gè)階段的處理方式不同而產(chǎn)生的。了解了這些背景之后，我們就分別針對(duì)四種IO模型進(jìn)行講解

Blocking IO - 阻塞IO

在linux中，默認(rèn)情況下所有的socket都是blocking，一個(gè)典型的讀操作流程大概如下圖：

當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，kernel就開(kāi)始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。對(duì)于network IO來(lái)說(shuō)，很多時(shí)候數(shù)據(jù)在一開(kāi)始還沒(méi)有到達(dá)（比如，還沒(méi)有收到一個(gè)完整的UDP包），這個(gè)時(shí)候kernel就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來(lái)。而在用戶(hù)進(jìn)程這邊，整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞。當(dāng)kernel一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel中拷貝到用戶(hù)內(nèi)存，然后kernel返回結(jié)果，用戶(hù)進(jìn)程才解除block的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來(lái)。

所以，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了。

NoneBlockingIO - 非阻塞IO

linux下，可以通過(guò)設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對(duì)一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)，流程是這個(gè)樣子：

從圖中可以看出，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程發(fā)出recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用后，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，那么它并不會(huì)block用戶(hù)進(jìn)程，而是立刻返回一個(gè)結(jié)果（no datagram ready）。從用戶(hù)進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個(gè)操作后，并沒(méi)有等待，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶(hù)進(jìn)程得知數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好后，它可以每隔一段時(shí)間再次發(fā)送recvfrom操作。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶(hù)進(jìn)程的system call，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶(hù)內(nèi)存，然后返回。

所以，用戶(hù)進(jìn)程其實(shí)是需要不斷的主動(dòng)詢(xún)問(wèn)kernel數(shù)據(jù)好了沒(méi)有。

IO multiplexing - IO多路復(fù)用

I/O多路復(fù)用(multiplexing)是網(wǎng)絡(luò)編程中最常用的模型，像我們最常用的select、epoll都屬于這種模型。以select為例：

看起來(lái)它與blocking I/O很相似，兩個(gè)階段都阻塞。但它與blocking I/O的一個(gè)重要區(qū)別就是它可以等待多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)就緒（datagram ready），即可以處理多個(gè)連接。這里的select相當(dāng)于一個(gè)“代理”，調(diào)用select以后進(jìn)程會(huì)被select阻塞，這時(shí)候在內(nèi)核空間內(nèi)select會(huì)監(jiān)聽(tīng)指定的多個(gè)datagram (如socket連接)，如果其中任意一個(gè)數(shù)據(jù)就緒了就返回。此時(shí)程序再進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作，將數(shù)據(jù)拷貝至當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)。由于select可以監(jiān)聽(tīng)多個(gè)socket，我們可以用它來(lái)處理多個(gè)連接。

在select模型中每個(gè)socket一般都設(shè)置成non-blocking，雖然等待數(shù)據(jù)階段仍然是阻塞狀態(tài)，但是它是被select調(diào)用阻塞的，而不是直接被I/O阻塞的。select底層通過(guò)輪詢(xún)機(jī)制來(lái)判斷每個(gè)socket讀寫(xiě)是否就緒。

當(dāng)然select也有一些缺點(diǎn)，比如底層輪詢(xún)機(jī)制會(huì)增加開(kāi)銷(xiāo)、支持的文件描述符數(shù)量過(guò)少等。為此，Linux引入了epoll作為select的改進(jìn)版本。

asynchronous IO - 異步IO

異步I/O在網(wǎng)絡(luò)編程中幾乎用不到，在File I/O中可能會(huì)用到：

這里面的讀取操作的語(yǔ)義與上面的幾種模型都不同。這里的讀取操作(aio_read)會(huì)通知內(nèi)核進(jìn)行讀取操作并將數(shù)據(jù)拷貝至進(jìn)程中，完事后通知進(jìn)程整個(gè)操作全部完成（綁定一個(gè)回調(diào)函數(shù)處理數(shù)據(jù)）。讀取操作會(huì)立刻返回，程序可以進(jìn)行其它的操作，所有的讀取、拷貝工作都由內(nèi)核去做，做完以后通知進(jìn)程，進(jìn)程調(diào)用綁定的回調(diào)函數(shù)來(lái)處理數(shù)據(jù)。

總結(jié)

我們來(lái)總結(jié)一下阻塞、非阻塞，同步和異步這兩組概念。

先來(lái)說(shuō)阻塞和非阻塞：

• 阻塞調(diào)用會(huì)一直等待遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)就緒再返回，即上面的階段1會(huì)阻塞調(diào)用者，直到讀取結(jié)束。

• 而非阻塞無(wú)論在什么情況下都會(huì)立即返回，雖然非阻塞大部分時(shí)間不會(huì)被block，但是它仍要求進(jìn)程不斷地去主動(dòng)詢(xún)問(wèn)kernel是否準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，也需要進(jìn)程主動(dòng)地再次調(diào)用recvfrom來(lái)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)內(nèi)存。

再說(shuō)一說(shuō)同步和異步：

• 同步方法會(huì)一直阻塞進(jìn)程，直到I/O操作結(jié)束，注意這里相當(dāng)于上面的階段1，階段2都會(huì)阻塞調(diào)用者。其中 Blocking IO - 阻塞IO，Nonblocking IO - 非阻塞IO，IO multiplexing - IO多路復(fù)用，signal driven IO - 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO 這四種IO都可以歸類(lèi)為同步IO。

• 而異步方法不會(huì)阻塞調(diào)用者進(jìn)程，即使是從內(nèi)核空間的緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)拷貝到進(jìn)程中這一操作也不會(huì)阻塞進(jìn)程，拷貝完畢后內(nèi)核會(huì)通知進(jìn)程數(shù)據(jù)拷貝結(jié)束。

下面的這張圖很好地總結(jié)了之前講的這五種I/O模型（來(lái)自Unix Network Programming）

最后，在舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子幫助理解，比如我們?cè)鯓咏鉀Q午飯問(wèn)題：

A君喜歡下館子吃飯，服務(wù)員點(diǎn)完餐后，A君一直坐在座位上等待廚師炒菜，什么事情也沒(méi)有干，過(guò)了一會(huì)服務(wù)員端上飯菜后，A君就開(kāi)吃了 -- 【阻塞I/O】

B君也喜歡下館子，服務(wù)員點(diǎn)完餐后，B君看這個(gè)服務(wù)員姿色不錯(cuò)，便一直和服務(wù)員聊人生理想，并時(shí)不時(shí)的打聽(tīng)自己的飯做好了沒(méi)有，過(guò)了一會(huì)飯也做好了，B君也撩到了美女服務(wù)員的微信號(hào) -- 【非阻塞I/O 】順便撩了個(gè)妹子?

C君同樣喜歡下館子吃飯，但是C君不喜歡一個(gè)人下館子吃，要呼朋喚友一起下館子，但是這幫人到了飯店之后，每個(gè)人只點(diǎn)自己的，服務(wù)員一起給他們下單后，就交給后廚去做了，每做好一個(gè)人的，服務(wù)員就負(fù)責(zé)給他們端上來(lái)。做他們的服務(wù)員真滴好累?? -- 【IO多路復(fù)用】

D君比較宅，不喜歡下館子，那怎么辦呢？美團(tuán)外賣(mài)?。ù颂帒?yīng)有廣告費(fèi):-D）手機(jī)下單后，自己啥也不用操心，只要等快遞小哥上門(mén)就行了，這段時(shí)間可以擼好幾把王者農(nóng)藥的了，嘿嘿 -- 【異步IO】

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