理解一下5种I/O模型

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目录

1、IO

2、5 种 IO 模型

2-1、阻塞 IO 模型

2-2、非阻塞 IO 模型

2-3、IO 复用模型

2-4、信号驱动 IO 模型

2-5、异步 IO 模型

3、IO 模型比较

3-1、阻塞 IO 调用和非阻塞 IO 调用、阻塞 IO 模型和非阻塞 IO 模型

3-2、同步 IO 和异步 IO

漫话：如何给女朋友解释I/O模型？

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 模型是异步 IO 操作。

看了一些文章，发现有很多不同的理解，可能是因为大家入切的角度、环境不一样。所以，我们先说明基本的 IO 操作及环境。

本文是在《UNIX 网络编程 卷 1：套接字联网 API》6.2 节 “I/O 模型” 的基础上，即 UNIX/LINUX 环境下的网络 IO 环境下的理解，它里面给出的例子是读取（接收）网络 UDP 数据。下面简单写写自己对这些 IO 模型的理解。

1、IO

IO (Input/Output，输入 / 输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，通常用户进程中的一个完整 IO 分为两阶段：用户进程空间 <–> 内核空间、内核空间 <–> 设备空间（磁盘、网络等）。IO 有内存 IO、网络 IO 和磁盘 IO 三种，通常我们说的 IO 指的是后两者。

LINUX 中进程无法直接操作 I/O 设备，其必须通过系统调用请求 kernel 来协助完成 I/O 动作；内核会为每个 I/O 设备维护一个缓冲区。

对于一个输入操作来说，进程 IO 系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备 IO 一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。

所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

• 等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区，数据准备好；
• 从内核缓冲区复制数据到进程空间。

2、5 种 IO 模型

《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 模型是异步 IO 操作。

下面这样些图，是它里面给出的例子：接收网络 UDP 数据的流程在 IO 模型下的分析，在它的基础上再加以简单描述，以区分这些 IO 模型。

2-1、阻塞 IO 模型

进程发起 IO 系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个 IO 处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

1、典型应用：阻塞 socket、Java BIO；

2、特点：

• 进程阻塞挂起不消耗 CPU 资源，及时响应每个操作；
• 实现难度低、开发应用较容易；
• 适用并发量小的网络应用开发；

不适用并发量大的应用：因为一个请求 IO 会阻塞进程，所以，得为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

2-2、非阻塞 IO 模型

进程发起 IO 系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到 IO 设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞；进程发起 IO 系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。

对于上面的阻塞 IO 模型来说，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

1、典型应用：socket 是非阻塞的方式（设置为 NONBLOCK）

2、特点：

• 进程轮询（重复）调用，消耗 CPU 的资源；
• 实现难度低、开发应用相对阻塞 IO 模式较难；
• 适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发；

2-3、IO 复用模型

多个的进程的 IO 可以注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程调用该 select， select 会监听所有注册进来的 IO；

如果 select 没有监听的 IO 在内核缓冲区都没有可读数据，select 调用进程会被阻塞；而当任一 IO 在内核缓冲区中有可数据时，select 调用就会返回；

而后 select 调用进程可以自己或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取 IO，读取内核中准备好的数据。

可以看到，多个进程注册 IO 后，只有另一个 select 调用进程被阻塞。

1、典型应用：select、poll、epoll 三种方案，nginx 都可以选择使用这三个方案; Java NIO;

2、特点：

• 专一进程解决多个进程 IO 的阻塞问题，性能好；Reactor 模式;
• 实现、开发应用难度较大；
• 适用高并发服务应用开发：一个进程（线程）响应多个请求；

3、select、poll、epoll

• Linux 中 IO 复用的实现方式主要有 select、poll 和 epoll：
• Select：注册 IO、阻塞扫描，监听的 IO 最大连接数不能多于 FD_SIZE；
• Poll：原理和 Select 相似，没有数量限制，但 IO 数量大扫描线性性能下降；
• Epoll ：事件驱动不阻塞，mmap 实现内核与用户空间的消息传递，数量很大，Linux2.6 后内核支持；

2-4、信号驱动 IO 模型

当进程发起一个 IO 操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用 IO 读取数据。

特点：回调机制，实现、开发应用难度大；

2-5、异步 IO 模型

当进程发起一个 IO 操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回结果；内核把整个 IO 处理完后，会通知进程结果。如果 IO 操作成功则进程直接获取到数据。

1、典型应用：JAVA7 AIO、高性能服务器应用

2、特点：

• 不阻塞，数据一步到位；Proactor 模式；
• 需要操作系统的底层支持，LINUX 2.5 版本内核首现，2.6 版本产品的内核标准特性；
• 实现、开发应用难度大；
• 非常适合高性能高并发应用；

3、IO 模型比较

3-1、阻塞 IO 调用和非阻塞 IO 调用、阻塞 IO 模型和非阻塞 IO 模型

注意这里的阻塞 IO 调用和非阻塞 IO 调用不是指阻塞 IO 模型和非阻塞 IO 模型：

• 阻塞 IO 调用 ：在用户进程（线程）中调用执行的时候，进程会等待该 IO 操作，而使得其他操作无法执行。
• 非阻塞 IO 调用：在用户进程中调用执行的时候，无论成功与否，该 IO 操作会立即返回，之后进程可以进行其他操作（当然如果是读取到数据，一般就接着进行数据处理）。

这个直接理解就好，进程（线程）IO 调用会不会阻塞进程自己。所以这里两个概念是相对调用进程本身状态来讲的。

从上面对比图片来说，阻塞 IO 模型是一个阻塞 IO 调用，而非阻塞 IO 模型是多个非阻塞 IO 调用 + 一个阻塞 IO 调用，因为多个 IO 检查会立即返回错误，不会阻塞进程。

而上面也说过了，非阻塞 IO 模型对于阻塞 IO 模型来说区别就是，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

3-2、同步 IO 和异步 IO

• 同步 IO：导致请求进程阻塞，直到 I/O 操作完成。
• 异步 IO：不导致请求进程阻塞。

上面两个定义是《UNIX 网络编程 卷 1：套接字联网 API》给出的。这不是很好理解，我们来扩展一下，先说说同步和异步，同步和异步关注的是双方的消息通信机制：

• 同步：双方的动作是经过双方协调的，步调一致的。
• 异步：双方并不需要协调，都可以随意进行各自的操作。

这里我们的双方是指，用户进程和 IO 设备；明确同步和异步之后，我们在上面网络输入操作例子的基础上，进行扩展定义：

• 同步 IO：用户进程发出 IO 调用，去获取 IO 设备数据，双方的数据要经过内核缓冲区同步，完全准备好后，再复制返回到用户进程。而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞，直到 I/O 操作完成。
• 异步 IO：用户进程发出 IO 调用，去获取 IO 设备数据，并不需要同步，内核直接复制到进程，整个过程不导致请求进程阻塞。

所以， 阻塞 IO 模型、非阻塞 IO 模型、IO 复用模型、信号驱动的 IO 模型者为同步 IO 模型，只有异步 IO 模型是异步 IO。

4、Java的三种IO模型