I/O模型系列之二：Unix的五种网络I/O模型

1. Unix的五种I/O模型

从上往下：阻塞程度（高-----低）I/O效率（低-----高）

阻塞I/O（Blocking I/O）:传统的IO模型
非阻塞I/O（Non-Blocking I/O）: 注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库。
I/O多路复用（I/O Multiplexing）: 经典的Reactor设计模式，有时也称异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。
信号驱动I/O（Signal Driven I/O）
异步I/O（Asychronous I/O）: 经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

2. Unix的输入操作

Unix的一个输入操作一般有两个不同的阶段：

　　第一步，等待数据准备好。(目标：减小便可以提高效率)

　　第二步，从内核到进程拷贝数据。

对于一个套接口上的输入操作（两次拷贝）：

　　第一步，等待数据到达网络，当分组到达时，它被拷贝到内核中的某个缓冲区。

　　第二步，将数据从内核缓冲区拷贝到应用缓冲区。

3. 阻塞I/O

　　阻塞I/O：应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直等待下去。　　

　　在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

　　当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，

　　第一步，kernel就开始了IO的第一个阶段，准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。

　　第二步，当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

 所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

4. 非阻塞I/O模型

　　非阻塞I/O模型：我们把一个套接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠（阻塞），而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的查询内核看数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间，是极大的浪费。

　　当一个应用程序像这样对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom时，我们称之为轮询(polling)。应用进程连续不断地查询内核，看看某操作是否准备好，这对CPU时间是极大的浪费，但这种模型只是偶尔才遇到，一般是在只专门提供某种功能的系统中才有。

　　当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直轮询问下去。

5. I/O多路复用模型

　　I/O多路复用机制，就是说通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用进程进行相应的读写操作。

　　Iselect，poll，epoll都是IO多路复用的机制，有些地方也称这种IO方式为event driven IO(事件驱动I/O)。

　　当用户进程调用了select,整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

　　它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。select，poll，epoll这个function也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个网络连接的I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

所以，I/O 多路复用的特点是 整个用户的process其实是一直被block的。只不过第一阶段process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

6. 信号驱动I/O模型

　　信号驱动 I/O模型：可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们何时可以启动一个IO操作。

　　要开启套接字的信号驱动I/O功能，通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。该系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说它没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后既可以在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理。

　　优势：等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。

所以，信号驱动 I/O模型的特点是 由内核通知我们何时可以启动一个IO操作。

7. 异步I/O模型

　　异步I/O模型：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作(包括将内核复制到我们自己的缓冲区)完成后通知我们。

　　用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

　　调用aio_read（Posix异步I/O函数以aio_或lio_开头）函数，给内核传递描述字、缓冲区指针、缓冲区大小（与read相同的3个参数）、文件偏移以及通知的方式，然后系统立即返回。我们的进程不阻塞于等待I/0操作的完成。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

　　linux下的asynchronous IO其实用得很少。

所以，异步I/O模型的特点是 由内核通知我们I/O操作何时完成。

8. 阻塞IO vs 非阻塞IO

　　blocking：调用blocking IO会一直block对应的进程直到准备数据操作完成。

　　non-blocking：在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

　　（等待数据阶段）

9. 同步IO vs 异步IO

　　在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：

- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

同步IO：IO操作导致请求进程阻塞，直到IO操作完成；（Blocking IO，Non-blocking IO，IO multiplexing，Singnal Driven IO）

异步IO：IO操作不导致请求进程阻塞；(Asynchronous IO)

（拷贝数据阶段）

　　有人会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。

　　而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

10. 五种I/O模型对比

各个IO Model的比较如图所示：(若要提高IO效率，需要将等待的时间降低)

　　通过上面的图片，可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

11. 总结

阻塞I/O（Blocking I/O）:应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直等待下去。
非阻塞I/O（Non-Blocking I/O）: 用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有，如果数据已经准备好，从内核拷贝到用户空间，否则一直轮询问下去。
I/O多路复用（I/O Multiplexing）: 通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用进程进行相应的读写操作。select，poll，epoll都是IO多路复用的机制，有些地方也称这种IO方式为event driven IO(事件驱动I/O)。
信号驱动I/O（Signal Driven I/O）：可以用信号，让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知我们何时可以启动一个IO操作。
异步I/O（Asychronous I/O）: 告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作(包括将内核复制到我们自己的缓冲区)完成后通知我们。