网络编程之五种I/O模型

一.概述：

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在网络编程中，阻塞、非阻塞、同步、异步经常被提到，下面我先谈以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、异步。

五种I/O模型分别是阻塞式I/O，非阻塞式I/O，信号驱动，I/O复用（这四种是同步I/O），异步I/O。

我来举一个例子来解释这五种I/O模型：

有A，B，C，D，E五个人在钓鱼：
A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆。（阻塞式I/O）

B呢，它的鱼竿比较新，不怕鱼上钩后把鱼竿拽走，所以他一边看手机，一边时不时看一下鱼竿是否有鱼上钩，有的话就迅速拉鱼竿。（非阻塞式I/O）

C的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆。（信号驱动）

D用的鱼竿和C差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；（I/O复用）

E是个有钱人（有钱人了不起啊），干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给E发个短信。（异步I/O）

下面我先谈以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、异步。

二.I/O操作过程：

首先，进行I/O操作涉及到了硬件，所以就会和操作系统打交道。（从网卡这两个读取/发送数据到网络中是操作系统做的）所以，先解释以下我理解的I/O过程（总的来说是   等数据 和  数据搬迁   这两个过程）

首先，通过系统给我们的API函数调用I/O操作（此时在用户态），这个函数先等待I/O缓存中有数据，操作系统会监测I/O缓存（此时在内核态），当I/O缓存中接收到数据时，操作系统先通知这个函数调用（进入用户态），然后这个函数的实现中会调用一些已经包装好的函数，“ 这些 ”函数会把数据从内核中拷贝到用户缓存区（先到内核态，再到用户态），然后这个函数就会返回。

具体如下图：

三.I/O操作中的阻塞、非阻塞、同步、异步：

（1）.同步：同步就是在一个功能调用时，在这个调用没有得到结果之前，这个调用不会返回。（在I/O操作中，如调用read函数，这个函数会被阻塞在read函数调用处，但内核一直在做与read相关的事情，也就是这个函数是激活的（会占用cpu），只是从表面上看函数还没有返回而已）。

（2）.阻塞：阻塞调用就是调用一个函数，这个调用结果没有得到结果之前，执行这个函数的线程会被挂起（这个状态下，cpu不会给该函数分配时间片），直到得到结果后才返回。

（3）.非阻塞：是指如果一个函数不能立刻得到结果，这个函数不会阻塞该线程而立即返回。

（4）.异步：是指在一个功能调用时，这个调用不会立即得到结果，也不会阻塞该线程，这个调用所在的线程会继续执行其它事情，而这个功能是由其它执行部件来完成，当这个部件执行完该功能时，通过状态，通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

执行部件和调用者可以通过三种途径返回结果：
a.   状态、
b.   通知、
c.   回调函数。
使用哪一种依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。

a. 如果执行部件用状态来通知，
    那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低

b. 如果是使用通知的方式，
    效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。

c. 至于回调函数，
    和通知没太多区别。

四.五种I/O模型：（理解了上面的知识，下面应该比较容易理解了）

（1）.阻塞式I/O：

  应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。 如果数据没有准备好，一直等待….数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，IO函数返回成功指示。

如下图：

（2）.非阻塞式I/O：

在非阻塞I/O中，一定要把一个I/O操作函数放在一个死循环中，直到这个I/O函数返回一个正确值时才跳出这个循环。

我们把一个SOCKET接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将线程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

如下图：

（3）.信号驱动：

 首先要允许接口进行信号驱动I/O，然后安装一个信号处理函数，线程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，线程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

如下图：

（4）.I/O复用：

I/O 复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的，这几个函数可以同时阻塞多个I/O操 作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。（比阻塞式I/O并没有上面优越性，但它实现了对多个I/O端口的监听）

如下图：

（5）.异步I/O：

当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作。

如下图：

六.五种I/O模型比较：

七.总结：

理解五种I/O模型应该先理解I/O操作过程，并理解阻塞，非阻塞，同步，异步的一些知识。

I/O操作要和硬件打交道，所以会I/O操作过程会涉及到操作系统。

处理I/O操作分为两个过程，一是等待数据，二是把数据从内核中搬到用户空间。

这五中I/O模型的不同之处是在等待数据的方式上，在第二个过程中是一样的，都是把数据从内核中搬到用户空间，然后进行相关操作。