Linux五大网络模型之I/O多路复用浅入深出

网上寻得一篇讲解Linux I/O模型很好的文章，特此引用。

文章摘录自：https://new.qq.com/rain/a/20210610A05G9600

浅入深出的解释

清·俞樾《湖楼笔谈》六：“盖诗人用意之妙，在乎深入显出。入之不深，则有浅易之病；出之不显，则有艰涩之患。”

从出处可知，“入”说的是内容，“出”说的是表达，内容在文字之下，文字驾驭内容，是上下结构的深入浅出！

如果把一篇技术文章看作是一个房间，文章的开头是一道门，从此进入；文章的结束是另一道门，从此而出！那么“深入浅出”或者“浅入深出”就有不同的意思了！

就技术文章而言，“浅”莫过于举例，再抽象的理论，一个例子可以将你带入情景，理解起来也就简单了；“深”莫过于公式、拗口结论了，最精炼，但也最难懂！

如此定义，“深入浅出”就是一开始抛结论，先把读者震慑住，后面再慢慢地用浅显的例子解释阐述；“浅入深出”是一开始给你一个生动的例子，然后慢慢扩展延伸后再下结论！

个人喜好，中意“浅入深出”多点，如果是“深入浅出”的文章我也经常倒过来看，把它矫正为“浅入深出”，一来可以少死一点脑细胞，二来防止在先看到结论的情况下，自己举不恰当的例子去理解而误入歧途

正文：

基本概念

我们先来了解几个基本概念。

什么是I/O？

所谓的I/O（Input/Output）操作实际上就是输入输出的数据传输行为。程序员最关注的主要是磁盘IO和网络IO，因为这两个IO操作和应用程序的关系最直接最紧密。

磁盘IO：磁盘的输入输出，比如磁盘和内存之间的数据传输。

网络IO：不同系统间跨网络的数据传输，比如两个系统间的远程接口调用。

下面这张图展示了应用程序中发生IO的具体场景：

通过上图，我们可以了解到IO操作发生的具体场景。一个请求过程可能会发生很多次的IO操作：

1，页面请求到服务器会发生网络IO

2，服务之间远程调用会发生网络IO

3，应用程序访问数据库会发生网络IO

4，数据库查询或者写入数据会发生磁盘IO

阻塞与非阻塞

所谓阻塞，就是发出一个请求不能立刻返回响应，要等所有的逻辑全处理完才能返回响应。

非阻塞反之，发出一个请求立刻返回应答，不用等处理完所有逻辑。

内核空间与用户空间

在Linux中，应用程序稳定性远远比不上操作系统程序，为了保证操作系统的稳定性，Linux区分了内核空间和用户空间。可以这样理解，内核空间运行操作系统程序和驱动程序，用户空间运行应用程序。Linux以这种方式隔离了操作系统程序和应用程序，避免了应用程序影响到操作系统自身的稳定性。这也是Linux系统超级稳定的主要原因。

所有的系统资源操作都在内核空间进行，比如读写磁盘文件，内存分配和回收，网络接口调用等。所以在一次网络IO读取过程中，数据并不是直接从网卡读取到用户空间中的应用程序缓冲区，而是先从网卡拷贝到内核空间缓冲区，然后再从内核拷贝到用户空间中的应用程序缓冲区。对于网络IO写入过程，过程则相反，先将数据从用户空间中的应用程序缓冲区拷贝到内核缓冲区，再从内核缓冲区把数据通过网卡发送出去。

Socket（套接字）

Socket可以理解成，在两个应用程序进行网络通信时，一个应用程序将数据写入Socket，然后通过网卡把数据发送到另外一个应用程序的Socket中。

所有的网络协议都是基于Socket进行通信的，不管是TCP还是UDP协议，应用层的HTTP协议也不例外。这些协议都需要基于Socket实现网络通信。5种网络IO模型也都要基于Socket实现网络通信。实际上，HTTP协议是建立在TCP协议之上的应用层协议。HTTP协议负责如何包装数据，而TCP协议负责如何传输数据。

绝大部分编程语言，都支持Socket编程，例如Java，Php，Python等等。而这些语言的Socket SDK都是基于操作系统提供的 socket() 函数来实现的。不管是Linux还是windows，都提供了相应的 socket() 函数。

Socket 编程过程

我们来看看Socket 编程过程是怎样的。

不管Java、Python还是Php，很多编程语言都支持Socket编程。Linux，Windows等操作系统都开放了网络编程接口。只不过，各种编程语言对底层操作系统提供的网络编程接口做了封装而已。

从服务端开始，服务端首先调用函数，按指定的网络协议和传输协议创建 Socket ，例如创建一个网络协议为 IPv4，传输协议为 TCP 的Socket。接着调用函数，给这个 Socket 绑定一个 IP 地址和端口，绑定这两个的目的是什么？

绑定端口的目的：当内核收到 TCP 报文，通过 TCP 头里的端口号，来找到我们的应用程序，然后把数据传递给我们

绑定 IP 地址的目的：一台机器可能有多个网卡，每个网卡都对应一个 IP 地址，只有绑定一个网卡对应的IP时，内核在收到该网卡上的包，才会发给我们的应用程序

绑定完 IP 地址和端口后，就可以调用函数进行监听。如果我们要判定服务器上某个网络程序有没有启动，可以通过命令查看对应的端口号是否被监听。

服务端进入了监听状态后，通过调用函数，来从内核获取客户端的连接，如果没有客户端连接，则会阻塞等待客户端连接的到来。

那客户端是怎么发起连接的呢？客户端在创建好 Socket 后，调用函数发起连接，该函数的参数要指明服务端的 IP 地址和端口号，然后众所周知的 TCP 三次握手就开始了。

连接建立后，客户端和服务端就开始相互传输数据了，双方可以通过和函数来读写数据。

基于TCP 协议的 Socket 编程过程就结束了，整个过程如下图所示：

网络IO模型

5种Linux网络IO模型包括：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO和异步IO。

同步阻塞IO

我们先看一下传统阻塞IO。在Linux中，默认情况下所有socket都是阻塞模式的。当用户线程调用系统函数read()，内核开始准备数据（从网络接收数据），内核准备数据完成后，数据从内核拷贝到用户空间的应用程序缓冲区，数据拷贝完成后，请求才返回。从发起read请求到最终完成内核到应用程序的拷贝，整个过程都是阻塞的。为了提高性能，可以为每个连接都分配一个线程。因此，在大量连接的场景下就需要大量的线程，会造成巨大的性能损耗，这也是传统阻塞IO的最大缺陷。

同步非阻塞IO

用户线程在发起Read请求后立即返回，不用等待内核准备数据的过程。如果Read请求没读取到数据，用户线程会不断轮询发起Read请求，直到数据到达（内核准备好数据）后才停止轮询。非阻塞IO模型虽然避免了由于线程阻塞问题带来的大量线程消耗，但是频繁的重复轮询大大增加了请求次数，对CPU消耗也比较明显。这种模型在实际应用中很少使用。

多路复用IO模型

多路复用IO模型，建立在多路事件分离函数select，poll，epoll之上。在发起read请求前，先更新select的socket监控列表，然后等待select函数返回（此过程是阻塞的，所以说多路复用IO并非完全非阻塞）。当某个socket有数据到达时，select函数返回。此时用户线程才正式发起read请求，读取并处理数据。这种模式用一个专门的监视线程去检查多个socket，如果某个socket有数据到达就交给工作线程处理。由于等待Socket数据到达过程非常耗时，所以这种方式解决了阻塞IO模型一个Socket连接就需要一个线程的问题，也不存在非阻塞IO模型忙轮询带来的CPU性能损耗的问题。多路复用IO模型的实际应用场景很多，比如大家耳熟能详的Java NIO，Redis，Nginx以及Dubbo采用的通信框架Netty都采用了这种模型。