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基本概念說(shuō)明

用戶空間與內(nèi)核空間

現(xiàn)在操作系統(tǒng)都是采用虛擬存儲(chǔ)器嫡秕，那么對(duì)32位操作系統(tǒng)而言渴语，它的尋址空間（虛擬存儲(chǔ)空間）為4G（2的32次方）。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核淘菩，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序遵班，可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間屠升，也有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限潮改。為了保證用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核（kernel），保證內(nèi)核的安全腹暖，操作系統(tǒng)將虛擬空間劃分為兩部分汇在，一部分為內(nèi)核空間，一部分為用戶空間脏答。針對(duì)linux操作系統(tǒng)而言糕殉，將最高的1G字節(jié)（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供內(nèi)核使用殖告，稱為內(nèi)核空間阿蝶，而將較低的3G字節(jié)（從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個(gè)進(jìn)程使用黄绩，稱為用戶空間羡洁。

進(jìn)程切換

為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程爽丹，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行筑煮。這種行為被稱為進(jìn)程切換辛蚊。因此可以說(shuō)，任何進(jìn)程都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行的真仲，是與內(nèi)核緊密相關(guān)的袋马。

從一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行轉(zhuǎn)到另一個(gè)進(jìn)程上運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程中經(jīng)過(guò)下面這些變化：

• 保存處理機(jī)上下文秸应，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器虑凛。
• 更新PCB信息。
• 把進(jìn)程的PCB移入相應(yīng)的隊(duì)列灸眼，如就緒卧檐、在某事件阻塞等隊(duì)列。 選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行焰宣，并更新其PCB霉囚。
• 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 恢復(fù)處理機(jī)上下文匕积。

進(jìn)程的阻塞

正在執(zhí)行的進(jìn)程盈罐，由于期待的某些事件未發(fā)生，如請(qǐng)求系統(tǒng)資源失敗闪唆、等待某種操作的完成盅粪、新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)或無(wú)新工作做等，則由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語(yǔ)(Block)悄蕾，使自己由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)票顾。可見(jiàn)帆调，進(jìn)程的阻塞是進(jìn)程自身的一種主動(dòng)行為奠骄，也因此只有處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程（獲得CPU），才可能將其轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)番刊。當(dāng)進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)含鳞，是不占用CPU資源的。

文件描述符

文件描述符（File descriptor）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)術(shù)語(yǔ)芹务，是一個(gè)用于表述指向文件的引用的抽象化概念蝉绷。

文件描述符在形式上是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。實(shí)際上枣抱，它是一個(gè)索引值熔吗，指向內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程所維護(hù)的該進(jìn)程打開(kāi)文件的記錄表。當(dāng)程序打開(kāi)一個(gè)現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)佳晶，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符桅狠。在程序設(shè)計(jì)中，一些涉及底層的程序編寫往往會(huì)圍繞著文件描述符展開(kāi)。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX垂攘、Linux這樣的操作系統(tǒng)维雇。

緩存 IO

緩存 IO 又被稱作標(biāo)準(zhǔn) IO，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn) IO 操作都是緩存 IO晒他。在 Linux 的緩存 IO 機(jī)制中吱型，操作系統(tǒng)會(huì)將 IO 的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁(yè)緩存（ page cache ）中，也就是說(shuō)陨仅，數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中津滞，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。

緩存 IO 的缺點(diǎn)：

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中需要在應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核進(jìn)行多次數(shù)據(jù)拷貝操作灼伤，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來(lái)的 CPU 以及內(nèi)存開(kāi)銷是非常大的触徐。

IO模型介紹

作者：cooffeelis
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來(lái)源：簡(jiǎn)書
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)狐赡，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處撞鹉。

常用的5種IO模型:
blocking IO
nonblocking IO
IO multiplexing
signal driven IO
asynchronous IO

再說(shuō)一下IO發(fā)生時(shí)涉及的對(duì)象和步驟:

對(duì)于一個(gè)network IO (這里我們以read舉例)，它會(huì)涉及到兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)象：

• 一個(gè)是調(diào)用這個(gè)IO的process (or thread)
• 一個(gè)就是系統(tǒng)內(nèi)核(kernel)

當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)颖侄，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：

• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,比如accept(), recv()等待數(shù)據(jù) (Waiting for the data to be ready)
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中, 比如 accept()接受到請(qǐng)求,recv()接收連接發(fā)送的數(shù)據(jù)后需要復(fù)制到內(nèi)核,再?gòu)膬?nèi)核復(fù)制到進(jìn)程用戶空間(Copying the data from the kernel to the process)

對(duì)于socket流而言,數(shù)據(jù)的流向經(jīng)歷兩個(gè)階段：

• 第一步通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)鸟雏，然后被復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)。
• 第二步把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)览祖。

記住這兩點(diǎn)很重要孝鹊，因?yàn)檫@些IO Model的區(qū)別就是在兩個(gè)階段上各有不同的情況。

阻塞 I/O（blocking IO）

在linux中展蒂，默認(rèn)情況下所有的socket都是blocking又活，一個(gè)典型的讀操作流程大概是這樣：

阻塞IO流程

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，kernel就開(kāi)始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（對(duì)于網(wǎng)絡(luò)IO來(lái)說(shuō)锰悼，很多時(shí)候數(shù)據(jù)在一開(kāi)始還沒(méi)有到達(dá)柳骄。比如，還沒(méi)有收到一個(gè)完整的UDP包松捉。這個(gè)時(shí)候kernel就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來(lái)）夹界。這個(gè)過(guò)程需要等待馆里，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中是需要一個(gè)過(guò)程的隘世。而在用戶進(jìn)程這邊，整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞（當(dāng)然鸠踪，是進(jìn)程自己選擇的阻塞）丙者。當(dāng)kernel一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel中拷貝到用戶內(nèi)存营密，然后kernel返回結(jié)果械媒，用戶進(jìn)程才解除block的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來(lái)。

所以纷捞，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了痢虹。

非阻塞 I/O（nonblocking IO）

linux下，可以通過(guò)設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking主儡。當(dāng)對(duì)一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)奖唯，流程是這個(gè)樣子：

非阻塞 I/O 流程

當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好糜值，那么它并不會(huì)block用戶進(jìn)程丰捷，而是立刻返回一個(gè)error。從用戶進(jìn)程角度講 寂汇，它發(fā)起一個(gè)read操作后病往，并不需要等待，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果骄瓣。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)停巷，它就知道數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送read操作榕栏。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了叠穆，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存臼膏，然后返回硼被。

所以，nonblocking IO的特點(diǎn)是用戶進(jìn)程需要不斷的主動(dòng)詢問(wèn)kernel數(shù)據(jù)好了沒(méi)有渗磅。

***值得注意的是,此時(shí)的非阻塞IO只是應(yīng)用到等待數(shù)據(jù)上,當(dāng)真正有數(shù)據(jù)到達(dá)執(zhí)行recvfrom的時(shí)候,還是同步阻塞IO來(lái)的, 從圖中的copy data from kernel to user可以看出 ***

I/O 多路復(fù)用（ IO multiplexing）

IO multiplexing就是我們說(shuō)的select嚷硫，poll，epoll始鱼，有些地方也稱這種IO方式為event driven IO仔掸。select/epoll的好處就在于單個(gè)process就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的IO。它的基本原理就是select医清，poll起暮，epoll這個(gè)function會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了会烙，就通知用戶進(jìn)程负懦。

I/O 多路復(fù)用流程

這個(gè)圖和blocking IO的圖其實(shí)并沒(méi)有太大的不同，事實(shí)上柏腻，還更差一些纸厉。因?yàn)檫@里需要使用兩個(gè)system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調(diào)用了一個(gè)system call (recvfrom)五嫂。但是颗品，用select的優(yōu)勢(shì)在于它可以同時(shí)處理多個(gè)connection肯尺。

所以，如果處理的連接數(shù)不是很高的話躯枢，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好则吟，可能延遲還更大。select/epoll的優(yōu)勢(shì)并不是對(duì)于單個(gè)連接能處理得更快锄蹂，而是在于能處理更多的連接逾滥。）

IO復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方式目前主要有select、poll和epoll败匹。

select和poll的原理基本相同：

• 注冊(cè)待偵聽(tīng)的fd(這里的fd創(chuàng)建時(shí)最好使用非阻塞)
• 每次調(diào)用都去檢查這些fd的狀態(tài)寨昙，當(dāng)有一個(gè)或者多個(gè)fd就緒的時(shí)候返回
• 返回結(jié)果中包括已就緒和未就緒的fd

相比select，poll解決了單個(gè)進(jìn)程能夠打開(kāi)的文件描述符數(shù)量有限制這個(gè)問(wèn)題：select受限于FD_SIZE的限制掀亩，如果修改則需要修改這個(gè)宏重新編譯內(nèi)核舔哪；而poll通過(guò)一個(gè)pollfd數(shù)組向內(nèi)核傳遞需要關(guān)注的事件，避開(kāi)了文件描述符數(shù)量限制槽棍。

此外捉蚤，select和poll共同具有的一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是包含大量fd的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)地址空間之間，開(kāi)銷會(huì)隨著fd數(shù)量增多而線性增大炼七。

select和poll就類似于上面說(shuō)的就餐方式缆巧。但當(dāng)你每次都去詢問(wèn)時(shí)，老板會(huì)把所有你點(diǎn)的飯菜都輪詢一遍再告訴你情況豌拙，當(dāng)大量飯菜很長(zhǎng)時(shí)間都不能準(zhǔn)備好的情況下是很低效的陕悬。于是，老板有些不耐煩了按傅，就讓廚師每做好一個(gè)菜就通知他捉超。這樣每次你再去問(wèn)的時(shí)候，他會(huì)直接把已經(jīng)準(zhǔn)備好的菜告訴你唯绍，你再去端拼岳。這就是事件驅(qū)動(dòng)IO就緒通知的方式-epoll。

epoll的出現(xiàn)况芒，解決了select惜纸、poll的缺點(diǎn)：

• 基于事件驅(qū)動(dòng)的方式，避免了每次都要把所有fd都掃描一遍绝骚。
• epoll_wait只返回就緒的fd耐版。
• epoll使用nmap內(nèi)存映射技術(shù)避免了內(nèi)存復(fù)制的開(kāi)銷。
• epoll的fd數(shù)量上限是操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)目,這個(gè)數(shù)目一般和內(nèi)存有關(guān)皮壁，通常遠(yuǎn)大于1024椭更。

目前哪审，epoll是Linux2.6下最高效的IO復(fù)用方式蛾魄，也是Nginx、Node的IO實(shí)現(xiàn)方式。而在freeBSD下滴须，kqueue是另一種類似于epoll的IO復(fù)用方式舌狗。

此外，對(duì)于IO復(fù)用還有一個(gè)水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)的概念：

• 水平觸發(fā)：當(dāng)就緒的fd未被用戶進(jìn)程處理后扔水，下一次查詢依舊會(huì)返回痛侍，這是select和poll的觸發(fā)方式。
• 邊緣觸發(fā)：無(wú)論就緒的fd是否被處理魔市，下一次不再返回主届。理論上性能更高，但是實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜待德，并且任何意外的丟失事件都會(huì)造成請(qǐng)求處理錯(cuò)誤君丁。epoll默認(rèn)使用水平觸發(fā)，通過(guò)相應(yīng)選項(xiàng)可以使用邊緣觸發(fā)将宪。

點(diǎn)評(píng)：
I/O 多路復(fù)用的特點(diǎn)是通過(guò)一種機(jī)制一個(gè)進(jìn)程能同時(shí)等待多個(gè)文件描述符绘闷，而這些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一個(gè)進(jìn)入讀就緒狀態(tài)，select()函數(shù)就可以返回较坛。
所以, IO多路復(fù)用印蔗，本質(zhì)上不會(huì)有并發(fā)的功能，因?yàn)槿魏螘r(shí)候還是只有一個(gè)進(jìn)程或線程進(jìn)行工作丑勤，它之所以能提高效率是因?yàn)閟elect\epoll 把進(jìn)來(lái)的socket放到他們的 '監(jiān)視' 列表里面华嘹，當(dāng)任何socket有可讀可寫數(shù)據(jù)立馬處理，那如果select\epoll 手里同時(shí)檢測(cè)著很多socket法竞， 一有動(dòng)靜馬上返回給進(jìn)程處理除呵，總比一個(gè)一個(gè)socket過(guò)來(lái),阻塞等待,處理高效率。
當(dāng)然也可以多線程/多進(jìn)程方式爪喘，一個(gè)連接過(guò)來(lái)開(kāi)一個(gè)進(jìn)程/線程處理颜曾，這樣消耗的內(nèi)存和進(jìn)程切換頁(yè)會(huì)耗掉更多的系統(tǒng)資源。
所以我們可以結(jié)合IO多路復(fù)用和多進(jìn)程/多線程 來(lái)高性能并發(fā)秉剑，IO復(fù)用負(fù)責(zé)提高接受socket的通知效率泛豪，收到請(qǐng)求后，交給進(jìn)程池/線程池來(lái)處理邏輯侦鹏。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)

上文的就餐方式還是需要你每次都去問(wèn)一下飯菜狀況诡曙。于是，你再次不耐煩了略水，就跟老板說(shuō)价卤，哪個(gè)飯菜好了就通知我一聲吧。然后就自己坐在桌子那里干自己的事情渊涝。更甚者慎璧，你可以把手機(jī)號(hào)留給老板床嫌，自己出門，等飯菜好了直接發(fā)條短信給你胸私。這就類似信號(hào)驅(qū)動(dòng)的IO模型厌处。

bio

流程如下：

• 開(kāi)啟套接字信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO功能
• 系統(tǒng)調(diào)用sigaction執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)（非阻塞，立刻返回）
• 數(shù)據(jù)就緒岁疼，生成sigio信號(hào)阔涉，通過(guò)信號(hào)回調(diào)通知應(yīng)用來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

此種io方式存在的一個(gè)很大的問(wèn)題：Linux中信號(hào)隊(duì)列是有限制的捷绒，如果超過(guò)這個(gè)數(shù)字問(wèn)題就無(wú)法讀取數(shù)據(jù)瑰排。

異步非阻塞

異步 I/O（asynchronous IO）

linux下的asynchronous IO其實(shí)用得很少。先看一下它的流程：

異步IO 流程

用戶進(jìn)程發(fā)起read操作之后暖侨，立刻就可以開(kāi)始去做其它的事凶伙。而另一方面，從kernel的角度它碎，當(dāng)它受到一個(gè)asynchronous read之后函荣，首先它會(huì)立刻返回，所以不會(huì)對(duì)用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block扳肛。然后傻挂，kernel會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存挖息，當(dāng)這一切都完成之后金拒，kernel會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal，告訴它read操作完成了套腹。

阻塞IO,非阻塞IO 與 同步IO, 異步IO的區(qū)別和聯(lián)系

阻塞IO VS 非阻塞IO：

概念：
阻塞和非阻塞關(guān)注的是程序在等待調(diào)用結(jié)果（消息绪抛，返回值）時(shí)的狀態(tài).
阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會(huì)被掛起电禀。調(diào)用線程只有在得到結(jié)果之后才會(huì)返回幢码。非阻塞調(diào)用指在不能立刻得到結(jié)果之前，該調(diào)用不會(huì)阻塞當(dāng)前線程尖飞。

例子：你打電話問(wèn)書店老板有沒(méi)有《分布式系統(tǒng)》這本書症副，你如果是阻塞式調(diào)用，你會(huì)一直把自己“掛起”政基，直到得到這本書有沒(méi)有的結(jié)果贞铣，如果是非阻塞式調(diào)用，你不管老板有沒(méi)有告訴你沮明，你自己先一邊去玩了辕坝， 當(dāng)然你也要偶爾過(guò)幾分鐘check一下老板有沒(méi)有返回結(jié)果。在這里阻塞與非阻塞與是否同步異步無(wú)關(guān)荐健。跟老板通過(guò)什么方式回答你結(jié)果無(wú)關(guān)酱畅。

分析：
阻塞IO會(huì)一直block住對(duì)應(yīng)的進(jìn)程直到操作完成琳袄，而非阻塞IO在kernel還準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況下會(huì)立刻返回。

同步IO VS 異步IO：

概念：
同步與異步同步和異步關(guān)注的是消息通信機(jī)制 (synchronous communication/ asynchronous communication)所謂同步圣贸，就是在發(fā)出一個(gè)調(diào)用時(shí)挚歧，在沒(méi)有得到結(jié)果之前扛稽，該調(diào)用就不返回吁峻。但是一旦調(diào)用返回，就得到返回值了在张。換句話說(shuō)用含，就是由調(diào)用者主動(dòng)等待這個(gè)調(diào)用的結(jié)果。而異步則是相反帮匾，調(diào)用在發(fā)出之后啄骇，這個(gè)調(diào)用就直接返回了，所以沒(méi)有返回結(jié)果瘟斜。換句話說(shuō)缸夹，當(dāng)一個(gè)異步過(guò)程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不會(huì)立刻得到結(jié)果螺句。而是在調(diào)用發(fā)出后虽惭，被調(diào)用者通過(guò)狀態(tài)、通知來(lái)通知調(diào)用者蛇尚，或通過(guò)回調(diào)函數(shù)處理這個(gè)調(diào)用芽唇。

典型的異步編程模型比如Node.js舉個(gè)通俗的例子：你打電話問(wèn)書店老板有沒(méi)有《分布式系統(tǒng)》這本書，如果是同步通信機(jī)制取劫，書店老板會(huì)說(shuō)匆笤，你稍等，”我查一下"谱邪，然后開(kāi)始查啊查炮捧，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告訴你結(jié)果（返回結(jié)果）惦银。而異步通信機(jī)制寓盗，書店老板直接告訴你我查一下啊，查好了打電話給你璧函，然后直接掛電話了（不返回結(jié)果）傀蚌。然后查好了，他會(huì)主動(dòng)打電話給你蘸吓。在這里老板通過(guò)“回電”這種方式來(lái)回調(diào)善炫。

分析：
在說(shuō)明同步IO和異步IO的區(qū)別之前，需要先給出兩者的定義库继。Stevens給出的定義（其實(shí)是POSIX的定義）是這樣子的：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

兩者的區(qū)別就在于同步IO做”IO operation”的時(shí)候會(huì)將process阻塞箩艺。按照這個(gè)定義窜醉，之前所述的阻塞IO,非阻塞IO ，IO復(fù)用都屬于同步IO艺谆。
有人可能會(huì)說(shuō)榨惰，非阻塞IO 并沒(méi)有被block啊。這里有個(gè)非尘蔡溃“狡猾”的地方琅催，定義中所指的”IO operation”是指真實(shí)的IO操作，就是例子中的recvfrom這個(gè)system call虫给。非阻塞IO在執(zhí)行recvfrom這個(gè)system call的時(shí)候藤抡，如果kernel的數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，這時(shí)候不會(huì)block進(jìn)程抹估。但是缠黍，當(dāng)kernel中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時(shí)候，recvfrom會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶內(nèi)存中药蜻，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程是被block了瓷式，在這段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)程是被block的语泽。

而異步IO則不一樣贸典，當(dāng)進(jìn)程發(fā)起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了湿弦，直到kernel發(fā)送一個(gè)信號(hào)瓤漏，告訴進(jìn)程說(shuō)IO完成。在這整個(gè)過(guò)程中颊埃，進(jìn)程完全沒(méi)有被block蔬充。

IO模型的形象舉例

最后，再舉幾個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)睦觼?lái)說(shuō)明這四個(gè)IO Model:
有A班利，B饥漫，C，D四個(gè)人在釣魚：
A用的是最老式的魚竿罗标，所以呢庸队，得一直守著，等到魚上鉤了再拉桿闯割；
B的魚竿有個(gè)功能彻消，能夠顯示是否有魚上鉤，所以呢宙拉，B就和旁邊的MM聊天宾尚，隔會(huì)再看看有沒(méi)有魚上鉤，有的話就迅速拉桿；
C用的魚竿和B差不多煌贴，但他想了一個(gè)好辦法御板，就是同時(shí)放好幾根魚竿，然后守在旁邊牛郑，一旦有顯示說(shuō)魚上鉤了怠肋，它就將對(duì)應(yīng)的魚竿拉起來(lái)；
D是個(gè)有錢人淹朋，干脆雇了一個(gè)人幫他釣魚笙各，一旦那個(gè)人把魚釣上來(lái)了，就給D發(fā)個(gè)短信瑞你。

Select/Poll/Epoll 輪詢機(jī)制

select酪惭，poll希痴，epoll本質(zhì)上都是同步I/O者甲，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫過(guò)程是阻塞的
Select/Poll/Epoll 都是IO復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方式砌创， 上面說(shuō)了使用IO復(fù)用虏缸，會(huì)把socket設(shè)置成non-blocking，然后放進(jìn)Select/Poll/Epoll 各自的監(jiān)視列表里面嫩实，那么刽辙，他們的對(duì)socket是否有數(shù)據(jù)到達(dá)的監(jiān)視機(jī)制分別是怎樣的？效率又如何甲献？我們應(yīng)該使用哪種方式實(shí)現(xiàn)IO復(fù)用比較好宰缤？下面列出他們各自的實(shí)現(xiàn)方式，效率晃洒，優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）select慨灭，poll實(shí)現(xiàn)需要自己不斷輪詢所有fd集合，直到設(shè)備就緒球及，期間可能要睡眠和喚醒多次交替氧骤。而epoll其實(shí)也需要調(diào)用epoll_wait不斷輪詢就緒鏈表，期間也可能多次睡眠和喚醒交替吃引，但是它是設(shè)備就緒時(shí)筹陵，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把就緒fd放入就緒鏈表中镊尺，并喚醒在epoll_wait中進(jìn)入睡眠的進(jìn)程朦佩。雖然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒著”的時(shí)候要遍歷整個(gè)fd集合庐氮，而epoll在“醒著”的時(shí)候只要判斷一下就緒鏈表是否為空就行了语稠，這節(jié)省了大量的CPU時(shí)間。這就是回調(diào)機(jī)制帶來(lái)的性能提升旭愧。

（2）select颅筋，poll每次調(diào)用都要把fd集合從用戶態(tài)往內(nèi)核態(tài)拷貝一次宙暇，并且要把current往設(shè)備等待隊(duì)列中掛一次，而epoll只要一次拷貝议泵，而且把current往等待隊(duì)列上掛也只掛一次（在epoll_wait的開(kāi)始占贫，注意這里的等待隊(duì)列并不是設(shè)備等待隊(duì)列，只是一個(gè)epoll內(nèi)部定義的等待隊(duì)列）先口。這也能節(jié)省不少的開(kāi)銷型奥。

Java網(wǎng)絡(luò)編程模型

上文講述了UNIX環(huán)境的五種IO模型〉锞基于這五種模型厢汹，在Java中，隨著NIO和NIO2.0(AIO)的引入谐宙，一般具有以下幾種網(wǎng)絡(luò)編程模型：

• BIO
• NIO
• AIO

BIO

BIO是一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)編程模型烫葬，是通常我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)端程序的過(guò)程，步驟如下：

• 主線程accept請(qǐng)求阻塞
• 請(qǐng)求到達(dá)凡蜻，創(chuàng)建新的線程來(lái)處理這個(gè)套接字搭综，完成對(duì)客戶端的響應(yīng)。
• 主線程繼續(xù)accept下一個(gè)請(qǐng)求

這種模型有一個(gè)很大的問(wèn)題是：當(dāng)客戶端連接增多時(shí)划栓，服務(wù)端創(chuàng)建的線程也會(huì)暴漲兑巾，系統(tǒng)性能會(huì)急劇下降。因此忠荞，在此模型的基礎(chǔ)上蒋歌，類似于 tomcat的bio connector，采用的是線程池來(lái)避免對(duì)于每一個(gè)客戶端都創(chuàng)建一個(gè)線程委煤。有些地方把這種方式叫做偽異步IO(把請(qǐng)求拋到線程池中異步等待處理)堂油。

NIO

JDK1.4開(kāi)始引入了NIO類庫(kù)，這里的NIO指的是New IO素标，主要是使用Selector多路復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)称诗。Selector在Linux等主流操作系統(tǒng)上是通過(guò)epoll實(shí)現(xiàn)的。

NIO的實(shí)現(xiàn)流程头遭，類似于select：

• 創(chuàng)建ServerSocketChannel監(jiān)聽(tīng)客戶端連接并綁定監(jiān)聽(tīng)端口寓免，設(shè)置為非阻塞模式。
• 創(chuàng)建Reactor線程计维，創(chuàng)建多路復(fù)用器(Selector)并啟動(dòng)線程袜香。
• 將ServerSocketChannel注冊(cè)到Reactor線程的Selector上。監(jiān)聽(tīng)accept事件鲫惶。
• Selector在線程run方法中無(wú)線循環(huán)輪詢準(zhǔn)備就緒的Key蜈首。
• Selector監(jiān)聽(tīng)到新的客戶端接入，處理新的請(qǐng)求，完成tcp三次握手欢策，建立物理連接课锌。
• 將新的客戶端連接注冊(cè)到Selector上撼短，監(jiān)聽(tīng)讀操作课兄。讀取客戶端發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)消息晋修。
• 客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)就緒則讀取客戶端請(qǐng)求，進(jìn)行處理俺孙。

相比BIO辣卒，NIO的編程非常復(fù)雜。

AIO

JDK1.7引入NIO2.0睛榄，提供了異步文件通道和異步套接字通道的實(shí)現(xiàn)荣茫。其底層在windows上是通過(guò)IOCP，在Linux上是通過(guò)epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)的(LinuxAsynchronousChannelProvider.java,UnixAsynchronousServerSocketChannelImpl.java)场靴。

• 創(chuàng)建AsynchronousServerSocketChannel啡莉，綁定監(jiān)聽(tīng)端口
• 調(diào)用AsynchronousServerSocketChannel的accpet方法，傳入自己實(shí)現(xiàn)的CompletionHandler憎乙。包括上一步票罐，都是非阻塞的
• 連接傳入叉趣，回調(diào)CompletionHandler的completed方法泞边，在里面，調(diào)用AsynchronousSocketChannel的read方法疗杉，傳入負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的CompletionHandler阵谚。
• 數(shù)據(jù)就緒，觸發(fā)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的CompletionHandler的completed方法烟具。繼續(xù)做下一步處理即可梢什。
• 寫入操作類似，也需要傳入CompletionHandler朝聋。

其編程模型相比NIO有了不少的簡(jiǎn)化嗡午。

對(duì)比

微信公眾號(hào)【黃小斜】作者是螞蟻金服 JAVA 工程師，目前在螞蟻財(cái)富負(fù)責(zé)后端開(kāi)發(fā)工作冀痕，專注于 JAVA 后端技術(shù)棧荔睹，同時(shí)也懂點(diǎn)投資理財(cái)，堅(jiān)持學(xué)習(xí)和寫作言蛇，用大廠程序員的視角解讀技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)僻他，我的世界里不只有 coding！關(guān)注公眾號(hào)后回復(fù)”架構(gòu)師“即可領(lǐng)取 Java基礎(chǔ)腊尚、進(jìn)階吨拗、項(xiàng)目和架構(gòu)師等免費(fèi)學(xué)習(xí)資料，更有數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式劝篷、微服務(wù)等熱門技術(shù)學(xué)習(xí)視頻哨鸭，內(nèi)容豐富，兼顧原理和實(shí)踐娇妓，另外也將贈(zèng)送作者原創(chuàng)的Java學(xué)習(xí)指南兔跌、Java程序員面試指南等干貨資源