09.网络IO技术-阻塞、非阻塞、同步、异步

简介

• 同步调用、异步调用的说法，是对于获取数据的过程而言的。
• 例如发生read调用时，内核将数据从内核空间拷贝到应用程序空间。这个过程是在read函数中是同步进行的。如果内核实现的拷贝效率很差，read调用就会在这个同步过程中消耗比较长的时间。
  
• IO操作分两个阶段：
  1. 等待数据准备好 –读到内核缓存
  2. 将数据从内核读到用户空间 –读到进程空间
• 一般来说过程1花费的时间远远大于过程2：
  • BIO：1上阻塞2上也阻塞的是同步阻塞IO
  • NIO：1上非阻塞2阻塞的是同步非阻塞IO，Reactor就是这种模型
  • AIO：1上非阻塞2上非阻塞是异步非阻塞IO，Proactor模型就是这种模型

1. 阻塞I/O BIO

• 阻塞I/O发起的read请求，线程会被挂起，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核区域拷贝到应用程序的缓冲区中当拷贝过程完成，read 请求调用才返回。之后应用程序可以对缓冲区的数据进行数据解析。

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2. 非阻塞I/O NIO

• 非阻塞I/O的read请求 在数据未准备好的情况下立即返回。应用程序可以不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲，并完成这次read调用。

• 注意，这里最后一次 read 调用获取数据的过程，是一个同步的过程。这里的同步指的是内核区域的数据拷贝到缓存区这个过程

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3. 非阻塞I/O多路复用 NIO

• 每次让应用程序去轮询内核的 I/O 是否准备好，是一个不经济的做法，因为在轮询的过程中应用进程啥也不能干
• select、poll、epoll 这样的 I/O 多路复用技术就隆重登场了。
• 通过I/O事件分发，当内核数据准备好时，再通知应用程序进行操作。这个做法大大改善了应用进程对 CPU 的利用率，在没有被通知的情况下，应用进程可以使用 CPU 做其他的事情。

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4. 异步I/O AIO

• 当我们发起 aio_read 之后就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到应用程序空间。这个拷贝过程是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。

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5. 举例：

第一种阻塞 I/O 就是你去了书店，告诉老板你想要某本书，然后你就一直在那里等着，直到书店老板翻箱倒柜找到你想要的书。

第二种非阻塞 I/O 类似于你去了书店，问老板有没有一本书，老板告诉你没有，你就离开了。一周以后，你又来这个书店，再问这个老板，老板一查，有了，于是你买了这本书。

第三种基于非阻塞的 I/O 多路复用，你来到书店告诉老板：“老板，到货给我打电话吧，我再来付钱取书。”

第四种异步 I/O 就是你连去书店取书的过程也想省了，你留下地址，付了书费，让老板到货时寄给你，你直接在家里拿到就可以看了。

6. 总结：

• 和同步 I/O 相比，异步 I/O 的读写动作由内核自动完成。不过，在 Linux 下目前仅仅支持简单的基于本地文件的 aio 异步操作，这也使得我们在编写高性能网络程序时，首选 Reactor 模式，借助 epoll 这样的 I/O 分发技术完成开发；
• 而 Windows 下的 IOCP 则是一种异步 I/O 的技术，并由此产生了和 Reactor 齐名的 Proactor 模式。
• 无论是 Reactor 模式，还是 Proactor 模式，都是一种基于事件分发的网络编程模式。
• Reactor 模式是基于待完成的 I/O 事件，而 Proactor 模式则是基于已完成的 I/O 事件，两者的本质，都是借由事件分发的思想，设计出可兼容、可扩展、接口友好的一套程序框架。

7. Reactor与Proactor模型：

1、假如我们去饭店点餐，饭店人很多，如果我们付了钱后站在收银台等着饭端上来我们才离开，这就成了同步阻塞了。

2、如果我们付了钱后给你一个号就可以离开,饭好了老板会叫号，你过来取。这就是Reactor模型。

3、如果我们付了钱后给我一个号就可以坐到坐位上该干啥干啥，饭好了老板会把饭端上来送给你。这就是Proactor模型了。