5种经典I/O 通信模型

 I/O 过程分析

对于一次 Network I/O (以 read 举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个 I/O 的进程或线程，另一个就是系统内核 (kernel)。当一个 read 操作发生时，会经历两个阶段（记住这两个阶段很重要，因为不同 I/O 模型的区别就是在两个阶段上各有不同的处理）:

• 第一个阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)；

• 第二个阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)；

 同步异步的区别在于调用结果的通知方式：

　　同步：同步调用发出去后，需要等待调用结果的通知后，才能进行后续操作

　　异步：异步调用发出去后，不用等待调用结果通知，可以继续后续操作

阻塞非阻塞区别在于线程/进程等待消息通知的时候，是挂起状态还是非挂起挂起状态

一：阻塞IO模型

阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型，一般表现为进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作。

　　应用进程通过系统调用 recvfrom 接收数据，但由于内核还未准备好数据报，应用进程就会阻塞住，直到内核准备好数据报(此时文件描述符就会变为已就绪)，然后由用户进程把数据由内存缓冲区复制到用户进程。整个过程在IO两端都会发生阻塞，recvfrom 完成数据报复制工作，应用进程才能结束阻塞状态。

　　如果在等待数据阶段发生阻塞，用户进程将不能接受其他连接

二.非阻塞IO模型

　　应用进程与内核交互，目的未达到之前，不再一味的等着，而是直接返回。简单解释就是等待数据阶段不再发生阻塞，然后通过轮询的方式，不停的去问内核数据准备有没有准备好。如果某一次轮询发现数据已经准备好了，那就把数据拷贝到用户空间中，只在O端发生阻塞。应用进程通过 recvfrom 调用不停的去和内核交互，直到内核准备好数据。如果没有准备好，内核会返回error，应用进程在得到error后，过一段时间再发送recvfrom请求。在两次发送请求的时间段，进程可以先做别的事情。具体实现就是采用多线程的方式，不必因某一个线程的阻塞影响全部。

三.信号驱动IO模型

　　应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。应用进程预先向内核注册一个信号处理函数，然后用户进程返回，并且不阻塞，当内核数据准备就绪时会发送一个信号给进程，用户进程便在信号处理函数中开始把数据拷贝的用户空间中，也是只在O端阻塞。

 

四.IO复用模型

　　更详细的理解请参照：IO多路复用底层原理

　　多个进程的IO可以注册到同一个管道上，这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后，进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。（就是只用这个管道进程去轮询了，不用像非阻塞模型，每个进程线程都去轮询），IO多路转接是多了一个select函数，多个进程的IO可以注册到同一个select上，当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有被监听的IO需要的数据都没有准备好时，select调用进程会阻塞。当任意一个IO所需的数据准备好之后，select调用就会返回，然后进程在通过recvfrom来进行数据拷贝。

　　以上四种都是同步的，因为真正的数据拷贝过程都还是由用户进程来完成的，主要指O端从内核拷贝到用户空间，都是同步进行的。

五.异步IO模型

　　异步IO模型。应用进程把IO请求传给内核后，完全由内核去操作文件拷贝。内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次IO已经完成。（就是将数据从内核缓冲区拷贝到进程缓存区也是由内核完成，不是由用户进程来完成）