简述io模型：同步异步，阻塞非阻塞，多路复用

参考：

https://www.cnblogs.com/felixzh/p/10345929.html (简述同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO之间的联系与区别)

https://www.cnblogs.com/Anker/p/3265058.html (多路复用：select、poll、epoll之间的区别和联系)

https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390（socket阻塞与非阻塞，同步与异步、I/O模型）

五种io模型

系统（内核空间）io有两个阶段

1，数据等待阶段
2，数据从内核空间复制回用户进程缓冲区阶段

《UNIX网络编程》说得很清楚，5种IO模型分别是阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型；

前4种为同步IO操作，只有异步IO模型是符合POSIX异步IO操作含义的，不管在阶段1还是阶段2都可以干别的事。

IO模型

这里统一使用Linux下的系统调用recv作为例子，它用于从套接字上接收一个消息，因为是一个系统调用，所以调用时会从用户进程空间切换到内核空间运行一段时间再切换回来。默认情况下recv会等到网络数据到达并且复制到用户进程空间或者发生错误时返回，而第4个参数flags可以让它马上返回。

从同步阻塞式io开始

非阻塞IO模型

改变flags，让recv不管有没有获取到数据都返回，如果没有数据那么一段时间后再调用recv看看，如此循环。B同学也用杯子装水，打开水龙头后发现没有水，它离开了，过一会他又拿着杯子来看看……在中间离开的这些时间里，B同学离开了装水现场(回到用户进程空间)，可以做他自己的事情。这就是非阻塞IO模型。但是它只有是检查无数据的时候是非阻塞的，在数据到达的时候依然要等待复制数据到用户空间(等着水将水杯装满)，因此它还是同步IO。

IO复用模型

这里在调用recv前先调用select或者poll，这2个系统调用都可以在内核准备好数据(网络数据到达内核)时告知用户进程，这个时候再调用recv一定是有数据的。因此这一过程中它是阻塞于select或poll，而没有阻塞于recv，有人将非阻塞IO定义成在读写操作时没有阻塞于系统调用的IO操作(不包括数据从内核复制到用户空间时的阻塞，因为这相对于网络IO来说确实很短暂)，如果按这样理解，这种IO模型也能称之为非阻塞IO模型，但是按POSIX来看，它也是同步IO，那么也和楼上一样称之为同步非阻塞IO吧。

这种IO模型比较特别，分个段。因为它能同时监听多个文件描述符(fd)。这个时候C同学来装水，发现有一排水龙头，舍管阿姨告诉他这些水龙头都还没有水，等有水了告诉他。于是等啊等(select调用中)，过了一会阿姨告诉他有水了，但不知道是哪个水龙头有水，自己看吧。于是C同学一个个打开，往杯子里装水(recv)。这里再顺便说说鼎鼎大名的epoll(高性能的代名词啊)，epoll也属于IO复用模型，主要区别在于舍管阿姨会告诉C同学哪几个水龙头有水了，不需要一个个打开看(当然还有其它区别)。

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，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），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

select

（1）使用copy_from_user从用户空间拷贝fd_set到内核空间

（2）注册回调函数__pollwait

（3）遍历所有fd，调用其对应的poll方法（对于socket，这个poll方法是sock_poll，sock_poll根据情况会调用到tcp_poll,udp_poll或者datagram_poll）

（4）以tcp_poll为例，其核心实现就是__pollwait，也就是上面注册的回调函数。

（5）__pollwait的主要工作就是把current（当前进程）挂到设备的等待队列中，不同的设备有不同的等待队列，对于tcp_poll来说，其等待队列是sk->sk_sleep（注意把进程挂到等待队列中并不代表进程已经睡眠了）。在设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，这时current便被唤醒了。

（6）poll方法返回时会返回一个描述读写操作是否就绪的mask掩码，根据这个mask掩码给fd_set赋值。

（7）如果遍历完所有的fd，还没有返回一个可读写的mask掩码，则会调用schedule_timeout是调用select的进程（也就是current）进入睡眠。当设备驱动发生自身资源可读写后，会唤醒其等待队列上睡眠的进程。如果超过一定的超时时间（schedule_timeout指定），还是没人唤醒，则调用select的进程会重新被唤醒获得CPU，进而重新遍历fd，判断有没有就绪的fd。

（8）把fd_set从内核空间拷贝到用户空间。

select的几大缺点：

（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大

（2）同时每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd，这个开销在fd很多时也很大

（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024

poll

的实现和select非常相似，只是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，其他的都差不多。poll使用是链表

epoll

epoll既然是对select和poll的改进，就应该能避免上述的三个缺点。那epoll都是怎么解决的呢？在此之前，我们先看一下epoll和select和poll的调用接口上的不同，select和poll都只提供了一个函数——select或者poll函数。而epoll提供了三个函数，epoll_create,epoll_ctl和epoll_wait，epoll_create是创建一个epoll句柄；epoll_ctl是注册要监听的事件类型；epoll_wait则是等待事件的产生。

信号驱动IO模型

通过调用sigaction注册信号函数，等内核数据准备好的时候系统中断当前程序，执行信号函数(在这里面调用recv)。D同学让舍管阿姨等有水的时候通知他(注册信号函数)，没多久D同学得知有水了，跑去装水。是不是很像异步IO？很遗憾，它还是同步IO(省不了装水的时间啊)。

异步IO模型

调用aio_read，让内核等数据准备好，并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。E同学让舍管阿姨将杯子装满水后通知他。整个过程E同学都可以做别的事情(没有recv)，这才是真正的异步IO。

 

多路复用：

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，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），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

 

写法

读操作

对于阻塞的socket,当socket的接收缓冲区中没有数据时，read调用会一直阻塞住，直到有数据到来才返回。当socket缓冲区中的数据量小于期望读取的数据量时，返回实际读取的字节数。当sockt的接收缓冲区中的数据大于期望读取的字节数时，读取期望读取的字节数，返回实际读取的长度。 

对于非阻塞socket而言，socket的接收缓冲区中有没有数据，read调用都会立刻返回。接收缓冲区中有数据时，与阻塞socket有数据的情况是一样的，如果接收缓冲区中没有数据，则返回错误号为EWOULDBLOCK,表示该操作本来应该阻塞的，但是由于本socket为非阻塞的socket，因此立刻返回，遇到这样的情况，可以在下次接着去尝试读取。如果返回值是其它负值，则表明读取错误。

因此，非阻塞的rea调用一般这样写:

if ((nread = read(sock_fd, buffer, len)) < 0)
{
　　if (errno == EWOULDBLOCK){
　　　　return 0; //表示没有读到数据
　　}else {
　　　　return -1; //表示读取失败
　　}
}else {
　　return nread;//读到数据长度
}

写操作 

对于写操作write,原理是类似的，非阻塞socket在发送缓冲区没有空间时会直接返回错误号EWOULDBLOCK,表示没有空间可写数据，如果错误号是别的值，则表明发送失败。如果发送缓冲区中有足够空间或者是不足以拷贝所有待发送数据的空间的话，则拷贝前面N个能够容纳的数据，返回实际拷贝的字节数。

而对于阻塞Socket而言，如果发送缓冲区没有空间或者空间不足的话，write操作会直接阻塞住，如果有足够空间，则拷贝所有数据到发送缓冲区，然后返回.

非阻塞的write操作一般写法是:

int write_pos = 0;
int nLeft = nLen;
while (nLeft > 0)
{
int nWrite = 0;
if ((nWrite = write(sock_fd, data + write_pos, nLeft)) <= 0)
{
if (errno == EWOULDBLOCK)
{
nWrite = 0;
}else return -1; //表示写失败
}
nLeft -= nWrite;
write_pos += nWrite;
}
return nLen;

建立连接

阻塞方式下，connect首先发送SYN请求道服务器，当客户端收到服务器返回的SYN的确认时，则connect返回.否则的话一直阻塞.

非阻塞方式，connect将启用TCP协议的三次握手，但是connect函数并不等待连接建立好才返回，而是立即返回。返回的错误码为EINPROGRESS,表示正在进行某种过程.接收连接

对于阻塞方式的倾听socket,accept在连接队列中没有建立好的连接时将阻塞，直到有可用的连接，才返回。

非阻塞倾听socket,在有没有连接时都立即返回，没有连接时，返回的错误码为EWOULDBLOCK表示本来应该阻塞。

无阻塞的设置方法

方法一:fcntl

int flag;if (flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0) <0) perror("get flag");flag |= O_NONBLOCK;if (fcntl(fd, F_SETFL, flag) < 0)perror("set flag");
方法二:ioctl
int b_on = 1;ioctl (fd, FIONBIO, &b_on);

方法二:ioctl 

int b_on = 1;
ioctl (fd, FIONBIO, &b_on);