按照《Unix網(wǎng)絡編程》的劃分蝌衔，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO蝌蹂、IO復用噩斟、信號驅(qū)動IO和異步IO；按照POSIX標準來劃分只分為兩類：同步IO和異步IO孤个。
如何區(qū)分呢亩冬？首先一個IO操作其實分成了兩個步驟：發(fā)起IO請求和實際的IO操作。
- 同步IO和異步IO的區(qū)別就在于第二個步驟是否阻塞硼身，如果實際的IO讀寫阻塞請求進程，那么就是同步IO覆享，因此阻塞IO佳遂、非阻塞IO、IO復用撒顿、信號驅(qū)動IO都是同步IO丑罪，如果不阻塞，而是操作系統(tǒng)幫你做完IO操作再將結(jié)果返回給你凤壁，那么就是異步IO
- 阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別在于第一步吩屹，發(fā)起IO請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是傳統(tǒng)的阻塞IO拧抖，如果不阻塞煤搜，那么就是非阻塞IO。
同步和異步的概念描述的是用戶線程與內(nèi)核的交互方式：同步是指用戶線程發(fā)起IO請求后需要等待或者輪詢內(nèi)核IO操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行唧席；而異步是指用戶線程發(fā)起IO請求后仍繼續(xù)執(zhí)行擦盾，當內(nèi)核IO操作完成后會通知用戶線程，或者調(diào)用用戶線程注冊的回調(diào)函數(shù)淌哟。
阻塞和非阻塞的概念描述的是用戶線程調(diào)用內(nèi)核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要徹底完成后才返回到用戶空間迹卢；而非阻塞是指IO操作被調(diào)用后立即返回給用戶一個狀態(tài)值，無需等到IO操作徹底完成徒仓。
另外腐碱，Richard Stevens 在《Unix 網(wǎng)絡編程》卷1中提到的基于信號驅(qū)動的IO（Signal Driven IO）模型，由于該模型并不常用掉弛，本文不作涉及症见。接下來喂走，我們詳細分析四種常見的IO模型的實現(xiàn)原理抢埋。為了方便描述一膨，我們統(tǒng)一使用IO的讀操作作為示例。
常見的IO模型有四種：
（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統(tǒng)的IO模型骂际。
（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認創(chuàng)建的socket都是阻塞的瓷们，非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK业栅。注意這里所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。
（3）IO多路復用（IO Multiplexing）：即經(jīng)典的Reactor設計模式谬晕，屬于同步阻塞碘裕，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型，但由于是多路攒钳，所以效率得到提升帮孔。
（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經(jīng)典的Proactor設計模式，也稱為異步非阻塞IO不撑。
一文兢、同步阻塞IO
同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，用戶線程在內(nèi)核進行IO操作時被阻塞焕檬。
圖1 同步阻塞IO
如圖1所示姆坚，用戶線程通過系統(tǒng)調(diào)用read發(fā)起IO讀操作，由用戶空間轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間实愚。內(nèi)核等到數(shù)據(jù)包到達后兼呵，然后將接收的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，完成read操作腊敲。
用戶線程使用同步阻塞IO模型的偽代碼描述為：
{
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
即用戶需要等待read將socket中的數(shù)據(jù)讀取到buffer后击喂，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)。整個IO請求的過程中碰辅，用戶線程是被阻塞的懂昂，這導致用戶在發(fā)起IO請求時，不能做任何事情没宾，對CPU的資源利用率不夠忍法。
二、同步非阻塞IO
同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎上榕吼，將socket設置為NONBLOCK饿序。這樣做用戶線程可以在發(fā)起IO請求后可以立即返回。
圖2 同步非阻塞IO
如圖2所示羹蚣，由于socket是非阻塞的方式原探，因此用戶線程發(fā)起IO請求時立即返回。但并未讀取到任何數(shù)據(jù)，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請求咽弦，直到數(shù)據(jù)到達后徒蟆，才真正讀取到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行型型。
用戶線程使用同步非阻塞IO模型的偽代碼描述為：
{
while(read(socket, buffer) != SUCCESS)
;
process(buffer);
}
即用戶需要不斷地調(diào)用read段审，嘗試讀取socket中的數(shù)據(jù)，直到讀取成功后闹蒜，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)寺枉。整個IO請求的過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起IO請求后可以立即返回绷落，但是為了等到數(shù)據(jù)姥闪，仍需要不斷地輪詢、重復請求砌烁，消耗了大量的CPU的資源筐喳。一般很少直接使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性函喉。
三避归、IO多路復用
IO多路復用模型是建立在內(nèi)核提供的多路分離函數(shù)select基礎之上的，使用select函數(shù)可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題管呵。
圖3 多路分離函數(shù)select
如圖3所示梳毙，用戶首先將需要進行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系統(tǒng)調(diào)用返回撇寞。當數(shù)據(jù)到達時，socket被激活堂氯，select函數(shù)返回蔑担。用戶線程正式發(fā)起read請求，讀取數(shù)據(jù)并繼續(xù)執(zhí)行咽白。
從流程上來看啤握，使用select函數(shù)進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區(qū)別，甚至還多了添加監(jiān)視socket晶框，以及調(diào)用select函數(shù)的額外操作排抬，效率更差。但是授段，使用select以后最大的優(yōu)勢是用戶可以在一個線程內(nèi)同時處理多個socket的IO請求蹲蒲。用戶可以注冊多個socket，然后不斷地調(diào)用select讀取被激活的socket侵贵，即可達到在同一個線程內(nèi)同時處理多個IO請求的目的届搁。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。
用戶線程使用select函數(shù)的偽代碼描述為：
{
select(socket);
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
}
}
其中while循環(huán)前將socket添加到select監(jiān)視中卡睦，然后在while內(nèi)一直調(diào)用select獲取被激活的socket宴胧，一旦socket可讀，便調(diào)用read函數(shù)將socket中的數(shù)據(jù)讀取出來表锻。
然而恕齐，使用select函數(shù)的優(yōu)點并不僅限于此。雖然上述方式允許單線程內(nèi)處理多個IO請求瞬逊，但是每個IO請求的過程還是阻塞的（在select函數(shù)上阻塞）显歧，平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。如果用戶線程只注冊自己感興趣的socket或者IO請求码耐，然后去做自己的事情追迟，等到數(shù)據(jù)到來時再進行處理，則可以提高CPU的利用率骚腥。
IO多路復用模型使用了Reactor設計模式實現(xiàn)了這一機制敦间。
圖4 Reactor設計模式
如圖4所示，EventHandler抽象類表示IO事件處理器束铭，它擁有IO文件句柄Handle（通過get_handle獲壤椤），以及對Handle的操作handle_event（讀/寫等）契沫。繼承于EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定制带猴。Reactor類用于管理EventHandler（注冊、刪除等）懈万，并使用handle_events實現(xiàn)事件循環(huán)拴清，不斷調(diào)用同步事件多路分離器（一般是內(nèi)核）的多路分離函數(shù)select，只要某個文件句柄被激活（可讀/寫等）会通，select就返回（阻塞）口予，handle_events就會調(diào)用與文件句柄關聯(lián)的事件處理器的handle_event進行相關操作。
圖5 IO多路復用
如圖5所示涕侈，通過Reactor的方式沪停，可以將用戶線程輪詢IO操作狀態(tài)的工作統(tǒng)一交給handle_events事件循環(huán)進行處理。用戶線程注冊事件處理器之后可以繼續(xù)執(zhí)行做其他的工作（異步）裳涛，而Reactor線程負責調(diào)用內(nèi)核的select函數(shù)檢查socket狀態(tài)木张。當有socket被激活時，則通知相應的用戶線程（或執(zhí)行用戶線程的回調(diào)函數(shù)）端三，執(zhí)行handle_event進行數(shù)據(jù)讀取舷礼、處理的工作。由于select函數(shù)是阻塞的郊闯，因此多路IO復用模型也被稱為異步阻塞IO模型且轨。注意浮声，這里的所說的阻塞是指select函數(shù)執(zhí)行時線程被阻塞，而不是指socket旋奢。一般在使用IO多路復用模型時泳挥，socket都是設置為NONBLOCK的，不過這并不會產(chǎn)生影響至朗，因為用戶發(fā)起IO請求時屉符，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達了，用戶線程一定不會被阻塞锹引。
用戶線程使用IO多路復用模型的偽代碼描述為：
void UserEventHandler::handle_event() {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
{
Reactor.register(new UserEventHandler(socket));
}
用戶需要重寫EventHandler的handle_event函數(shù)進行讀取數(shù)據(jù)矗钟、處理數(shù)據(jù)的工作，用戶線程只需要將自己的EventHandler注冊到Reactor即可嫌变。Reactor中handle_events事件循環(huán)的偽代碼大致如下吨艇。
Reactor::handle_events() {
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
get_event_handler(socket).handle_event();
}
}
}
事件循環(huán)不斷地調(diào)用select獲取被激活的socket，然后根據(jù)獲取socket對應的EventHandler腾啥，執(zhí)行器handle_event函數(shù)即可东涡。
IO多路復用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”倘待，因為它使用了會阻塞線程的select系統(tǒng)調(diào)用疮跑。因此IO多路復用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO凸舵。
四祖娘、異步IO
“真正”的異步IO需要操作系統(tǒng)更強的支持。在IO多路復用模型中啊奄，事件循環(huán)將文件句柄的狀態(tài)事件通知給用戶線程渐苏，由用戶線程自行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)菇夸。而在異步IO模型中琼富，當用戶線程收到通知時，數(shù)據(jù)已經(jīng)被內(nèi)核讀取完畢峻仇，并放在了用戶線程指定的緩沖區(qū)內(nèi)公黑，內(nèi)核在IO完成后通知用戶線程直接使用即可邑商。
異步IO模型使用了Proactor設計模式實現(xiàn)了這一機制摄咆。
圖6 Proactor設計模式
如圖6，Proactor模式和Reactor模式在結(jié)構(gòu)上比較相似人断，不過在用戶（Client）使用方式上差別較大吭从。Reactor模式中，用戶線程通過向Reactor對象注冊感興趣的事件監(jiān)聽恶迈，然后事件觸發(fā)時調(diào)用事件處理函數(shù)涩金。而Proactor模式中谱醇，用戶線程將AsynchronousOperation（讀/寫等）、Proactor以及操作完成時的CompletionHandler注冊到AsynchronousOperationProcessor步做。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一組異步操作API（讀/寫等）供用戶使用副渴，當用戶線程調(diào)用異步API后，便繼續(xù)執(zhí)行自己的任務全度。AsynchronousOperationProcessor 會開啟獨立的內(nèi)核線程執(zhí)行異步操作煮剧，實現(xiàn)真正的異步。當異步IO操作完成時将鸵，AsynchronousOperationProcessor將用戶線程與AsynchronousOperation一起注冊的Proactor和CompletionHandler取出勉盅，然后將CompletionHandler與IO操作的結(jié)果數(shù)據(jù)一起轉(zhuǎn)發(fā)給Proactor，Proactor負責回調(diào)每一個異步操作的事件完成處理函數(shù)handle_event顶掉。雖然Proactor模式中每個異步操作都可以綁定一個Proactor對象草娜，但是一般在操作系統(tǒng)中，Proactor被實現(xiàn)為Singleton模式痒筒，以便于集中化分發(fā)操作完成事件宰闰。
圖7 異步IO
如圖7所示，異步IO模型中凸克，用戶線程直接使用內(nèi)核提供的異步IO API發(fā)起read請求议蟆，且發(fā)起后立即返回，繼續(xù)執(zhí)行用戶線程代碼萎战。不過此時用戶線程已經(jīng)將調(diào)用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊到內(nèi)核咐容，然后操作系統(tǒng)開啟獨立的內(nèi)核線程去處理IO操作。當read請求的數(shù)據(jù)到達時蚂维，由內(nèi)核負責讀取socket中的數(shù)據(jù)戳粒，并寫入用戶指定的緩沖區(qū)中。最后內(nèi)核將read的數(shù)據(jù)和用戶線程注冊的CompletionHandler分發(fā)給內(nèi)部Proactor虫啥，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程（一般通過調(diào)用用戶線程注冊的完成事件處理函數(shù)）蔚约，完成異步IO。
用戶線程使用異步IO模型的偽代碼描述為：
void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {
process(buffer);
}
{
aio_read(socket, new UserCompletionHandler);
}
用戶需要重寫CompletionHandler的handle_event函數(shù)進行處理數(shù)據(jù)的工作涂籽，參數(shù)buffer表示Proactor已經(jīng)準備好的數(shù)據(jù)苹祟，用戶線程直接調(diào)用內(nèi)核提供的異步IO API，并將重寫的CompletionHandler注冊即可评雌。
相比于IO多路復用模型树枫，異步IO并不十分常用，不少高性能并發(fā)服務程序使用IO多路復用模型+多線程任務處理的架構(gòu)基本可以滿足需求景东。況且目前操作系統(tǒng)對異步IO的支持并非特別完善砂轻，更多的是采用IO多路復用模型模擬異步IO的方式（IO事件觸發(fā)時不直接通知用戶線程，而是將數(shù)據(jù)讀寫完畢后放到用戶指定的緩沖區(qū)中）斤吐。Java7之后已經(jīng)支持了異步IO搔涝，感興趣的讀者可以嘗試使用厨喂。
本文從基本概念、工作流程和代碼示例三個層次簡要描述了常見的四種高性能IO模型的結(jié)構(gòu)和原理庄呈，理清了同步蜕煌、異步、阻塞诬留、非阻塞這些容易混淆的概念幌绍。通過對高性能IO模型的理解，可以在服務端程序的開發(fā)中選擇更符合實際業(yè)務特點的IO模型故响，提高服務質(zhì)量傀广。希望本文對你有所幫助。
