高性能IO模型淺析
服務器端編程經常需要構造高性能的IO模型揖庄，常見的IO模型有四種：
（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統的IO模型。
（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認創(chuàng)建的socket都是阻塞的口糕，非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK蛮瞄。注意這里所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫棍郎。
（3）IO多路復用（IO Multiplexing）：即經典的Reactor設計模式钦讳，有時也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型掐暮。
（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式蝎抽，也稱為異步非阻塞IO。
同步和異步的概念描述的是用戶線程與內核的交互方式：同步是指用戶線程發(fā)起IO請求后需要等待或者輪詢內核IO操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行路克；而異步是指用戶線程發(fā)起IO請求后仍繼續(xù)執(zhí)行樟结，當內核IO操作完成后會通知用戶線程，或者調用用戶線程注冊的回調函數精算。
阻塞和非阻塞的概念描述的是用戶線程調用內核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瓢宦；而非阻塞是指IO操作被調用后立即返回給用戶一個狀態(tài)值，無需等到IO操作徹底完成灰羽。
另外刁笙，Richard Stevens 在《Unix 網絡編程》卷1中提到的基于信號驅動的IO（Signal Driven IO）模型，由于該模型并不常用谦趣，本文不作涉及。接下來座每，我們詳細分析四種常見的IO模型的實現原理前鹅。為了方便描述，我們統一使用IO的讀操作作為示例峭梳。
一舰绘、同步阻塞IO
同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，用戶線程在內核進行IO操作時被阻塞葱椭。
如圖1所示捂寿，用戶線程通過系統調用read發(fā)起IO讀操作，由用戶空間轉到內核空間孵运。內核等到數據包到達后秦陋，然后將接收的數據拷貝到用戶空間，完成read操作治笨。
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中的數據讀取到buffer后驳概，才繼續(xù)處理接收的數據赤嚼。整個IO請求的過程中，用戶線程是被阻塞的顺又，這導致用戶在發(fā)起IO請求時更卒，不能做任何事情，對CPU的資源利用率不夠稚照。
二蹂空、同步非阻塞IO
同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎上，將socket設置為NONBLOCK果录。這樣做用戶線程可以在發(fā)起IO請求后可以立即返回上枕。
如圖2所示，由于socket是非阻塞的方式雕憔，因此用戶線程發(fā)起IO請求時立即返回姿骏。但并未讀取到任何數據，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請求斤彼，直到數據到達后分瘦，才真正讀取到數據，繼續(xù)執(zhí)行琉苇。
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用read嘲玫，嘗試讀取socket中的數據，直到讀取成功后并扇，才繼續(xù)處理接收的數據去团。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穷蛹，但是為了等到數據土陪，仍需要不斷地輪詢、重復請求肴熏，消耗了大量的CPU的資源鬼雀。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這一特性蛙吏。
三源哩、IO多路復用
IO多路復用模型是建立在內核提供的多路分離函數select基礎之上的，使用select函數可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題鸦做。
如圖3所示励烦，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系統調用返回泼诱。當數據到達時坛掠，socket被激活，select函數返回。用戶線程正式發(fā)起read請求却音，讀取數據并繼續(xù)執(zhí)行改抡。
從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區(qū)別系瓢，甚至還多了添加監(jiān)視socket阿纤，以及調用select函數的額外操作，效率更差夷陋。但是欠拾，使用select以后最大的優(yōu)勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。用戶可以注冊多個socket骗绕，然后不斷地調用select讀取被激活的socket藐窄，即可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中酬土，必須通過多線程的方式才能達到這個目的荆忍。
用戶線程使用select函數的偽代碼描述為：
{
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，然后在while內一直調用select獲取被激活的socket撤缴，一旦socket可讀刹枉，便調用read函數將socket中的數據讀取出來。
然而屈呕，使用select函數的優(yōu)點并不僅限于此微宝。雖然上述方式允許單線程內處理多個IO請求，但是每個IO請求的過程還是阻塞的（在select函數上阻塞）虎眨，平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長蟋软。如果用戶線程只注冊自己感興趣的socket或者IO請求，然后去做自己的事情嗽桩，等到數據到來時再進行處理岳守，則可以提高CPU的利用率。
IO多路復用模型使用了Reactor設計模式實現了這一機制碌冶。
如圖4所示棺耍，EventHandler抽象類表示IO事件處理器，它擁有IO文件句柄Handle（通過get_handle獲戎钟！），以及對Handle的操作handle_event（讀/寫等）俊卤。繼承于EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定制嫩挤。Reactor類用于管理EventHandler（注冊、刪除等）消恍，并使用handle_events實現事件循環(huán)岂昭，不斷調用同步事件多路分離器（一般是內核）的多路分離函數select，只要某個文件句柄被激活（可讀/寫等）狠怨，select就返回（阻塞）约啊，handle_events就會調用與文件句柄關聯的事件處理器的handle_event進行相關操作邑遏。
如圖5所示，通過Reactor的方式恰矩，可以將用戶線程輪詢IO操作狀態(tài)的工作統一交給handle_events事件循環(huán)進行處理记盒。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），而Reactor線程負責調用內核的select函數檢查socket狀態(tài)外傅。當有socket被激活時纪吮，則通知相應的用戶線程（或執(zhí)行用戶線程的回調函數），執(zhí)行handle_event進行數據讀取萎胰、處理的工作碾盟。由于select函數是阻塞的，因此多路IO復用模型也被稱為異步阻塞IO模型技竟。注意冰肴，這里的所說的阻塞是指select函數執(zhí)行時線程被阻塞，而不是指socket榔组。一般在使用IO多路復用模型時熙尉，socket都是設置為NONBLOCK的，不過這并不會產生影響瓷患，因為用戶發(fā)起IO請求時骡尽，數據已經到達了，用戶線程一定不會被阻塞擅编。
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函數進行讀取數據攀细、處理數據的工作，用戶線程只需要將自己的EventHandler注冊到Reactor即可爱态。Reactor中handle_events事件循環(huán)的偽代碼大致如下谭贪。
Reactor::handle_events() {
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
get_event_handler(socket).handle_event();
}
}
}
事件循環(huán)不斷地調用select獲取被激活的socket，然后根據獲取socket對應的EventHandler锦担，執(zhí)行器handle_event函數即可俭识。
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”洞渔，因為它使用了會阻塞線程的select系統調用套媚。因此IO多路復用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO磁椒。
四堤瘤、異步IO
“真正”的異步IO需要操作系統更強的支持。在IO多路復用模型中浆熔，事件循環(huán)將文件句柄的狀態(tài)事件通知給用戶線程本辐，由用戶線程自行讀取數據、處理數據。而在異步IO模型中慎皱，當用戶線程收到通知時老虫，數據已經被內核讀取完畢，并放在了用戶線程指定的緩沖區(qū)內茫多，內核在IO完成后通知用戶線程直接使用即可祈匙。
異步IO模型使用了Proactor設計模式實現了這一機制。
如圖6地梨，Proactor模式和Reactor模式在結構上比較相似菊卷，不過在用戶（Client）使用方式上差別較大。Reactor模式中宝剖，用戶線程通過向Reactor對象注冊感興趣的事件監(jiān)聽洁闰，然后事件觸發(fā)時調用事件處理函數。而Proactor模式中万细，用戶線程將AsynchronousOperation（讀/寫等）扑眉、Proactor以及操作完成時的CompletionHandler注冊到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一組異步操作API（讀/寫等）供用戶使用赖钞，當用戶線程調用異步API后腰素，便繼續(xù)執(zhí)行自己的任務。AsynchronousOperationProcessor 會開啟獨立的內核線程執(zhí)行異步操作雪营，實現真正的異步弓千。當異步IO操作完成時，AsynchronousOperationProcessor將用戶線程與AsynchronousOperation一起注冊的Proactor和CompletionHandler取出献起，然后將CompletionHandler與IO操作的結果數據一起轉發(fā)給Proactor洋访，Proactor負責回調每一個異步操作的事件完成處理函數handle_event。雖然Proactor模式中每個異步操作都可以綁定一個Proactor對象谴餐，但是一般在操作系統中姻政，Proactor被實現為Singleton模式，以便于集中化分發(fā)操作完成事件岂嗓。
如圖7所示汁展，異步IO模型中，用戶線程直接使用內核提供的異步IO API發(fā)起read請求厌殉，且發(fā)起后立即返回食绿，繼續(xù)執(zhí)行用戶線程代碼。不過此時用戶線程已經將調用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊到內核公罕，然后操作系統開啟獨立的內核線程去處理IO操作器紧。當read請求的數據到達時，由內核負責讀取socket中的數據熏兄，并寫入用戶指定的緩沖區(qū)中。最后內核將read的數據和用戶線程注冊的CompletionHandler分發(fā)給內部Proactor，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程（一般通過調用用戶線程注冊的完成事件處理函數）摩桶，完成異步IO桥状。
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函數進行處理數據的工作，參數buffer表示Proactor已經準備好的數據硝清，用戶線程直接調用內核提供的異步IO API辅斟，并將重寫的CompletionHandler注冊即可。
相比于IO多路復用模型芦拿，異步IO并不十分常用士飒，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基本可以滿足需求孤个。況且目前操作系統對異步IO的支持并非特別完善并级，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，而是將數據讀寫完畢后放到用戶指定的緩沖區(qū)中）缓艳。Java7之后已經支持了異步IO缓苛，感興趣的讀者可以嘗試使用芳撒。
轉自：https://blog.csdn.net/woaixiaopangniu521/article/details/70279143
