本篇文章是作為學(xué)習(xí)NIO的前置文章的闯袒，在學(xué)習(xí)NIO之前必須得了解一下IO模型旬牲。
對(duì)于一次IO訪問（以read舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中搁吓，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間原茅。所以說，當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)堕仔，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
- 第一階段：等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)擂橘。
- 第二階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
對(duì)于socket流而言：
第一步：通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)摩骨，然后被復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)通贞。
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)。
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要處理的無非就是兩大類問題恼五，網(wǎng)絡(luò)IO昌罩，數(shù)據(jù)計(jì)算。相對(duì)于后者灾馒，網(wǎng)絡(luò)IO的延遲茎用，給應(yīng)用帶來的性能瓶頸大于后者。網(wǎng)絡(luò)IO的模型大致有如下幾種：
- 阻塞IO（bloking IO）
- 非阻塞IO（non-blocking IO）
- 多路復(fù)用IO（multiplexing IO）
- 信號(hào)驅(qū)動(dòng)式IO（signal-driven IO）
- 異步IO（asynchronous IO）
阻塞I/O模型
默認(rèn)情況下睬罗，socket都是阻塞類型的轨功，一個(gè)典型的讀流程應(yīng)該是這樣的：
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，kernel就開始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（對(duì)于網(wǎng)絡(luò)IO來說容达，很多時(shí)候數(shù)據(jù)在一開始還沒有到達(dá)古涧。比如，還沒有收到一個(gè)完整的UDP包花盐。這個(gè)時(shí)候kernel就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來）羡滑。這個(gè)過程需要等待，也就是說數(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)過程的算芯。而在用戶進(jìn)程這邊柒昏，整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞（當(dāng)然，是進(jìn)程自己選擇的阻塞）也祠。當(dāng)kernel一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了昙楚，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel中拷貝到用戶內(nèi)存，然后kernel返回結(jié)果诈嘿，用戶進(jìn)程才解除block的狀態(tài)堪旧，重新運(yùn)行起來削葱。所以，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了淳梦。
非阻塞I/O模型
當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)析砸，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，那么它并不會(huì)block用戶進(jìn)程爆袍，而是立刻返回一個(gè)error首繁。從用戶進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個(gè)read操作后陨囊，并不需要等待弦疮，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)蜘醋，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好胁塞，于是它可以再次發(fā)送read操作。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了压语，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call啸罢，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存，然后返回胎食。所以扰才，nonblocking IO的特點(diǎn)是用戶進(jìn)程需要不斷的主動(dòng)詢問kernel數(shù)據(jù)好了沒有。
I/O多路復(fù)用
最常用的的I/O事件通知機(jī)制就是I/O復(fù)用厕怜。Linux 環(huán)境中使用select/poll/epoll_wait 實(shí)現(xiàn)I/O復(fù)用衩匣，I/O復(fù)用接口本身是阻塞的，在應(yīng)用程序中通過I/O復(fù)用接口向內(nèi)核注冊(cè)fd所關(guān)注的事件酣倾，當(dāng)關(guān)注事件觸發(fā)時(shí)舵揭，通過I/O復(fù)用接口的返回值通知到應(yīng)用程序谤专。I/O復(fù)用接口可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)I/O事件以提高事件處理效率躁锡。
使用 select 或者 poll 等待數(shù)據(jù)，并且可以等待多個(gè)套接字中的任何一個(gè)變?yōu)榭勺x置侍，這一過程會(huì)被阻塞映之，當(dāng)某一個(gè)套接字可讀時(shí)返回。之后再使用 recvfrom 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到進(jìn)程中蜡坊。
它可以讓單個(gè)進(jìn)程具有處理多個(gè) I/O 事件的能力杠输。又被稱為 Event Driven I/O，即事件驅(qū)動(dòng) I/O秕衙。
SIGIO 信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O
應(yīng)用進(jìn)程使用 sigaction 系統(tǒng)調(diào)用蠢甲，內(nèi)核立即返回，應(yīng)用進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行据忘，也就是說等待數(shù)據(jù)階段應(yīng)用進(jìn)程是非阻塞的鹦牛。內(nèi)核在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)向應(yīng)用進(jìn)程發(fā)送 SIGIO 信號(hào)搞糕，應(yīng)用進(jìn)程收到之后在信號(hào)處理程序中調(diào)用 recvfrom 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程中。
相比于非阻塞式 I/O 的輪詢方式曼追，信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的 CPU 利用率更高窍仰。
AIO 異步IO(asynchronous IO AIO)
進(jìn)行 aio_read 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)立即返回，應(yīng)用進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行礼殊，不會(huì)被阻塞驹吮，內(nèi)核會(huì)在所有操作完成之后向應(yīng)用進(jìn)程發(fā)送信號(hào)。異步 I/O 與信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的區(qū)別在于晶伦，異步 I/O 的信號(hào)是通知應(yīng)用進(jìn)程 I/O 完成碟狞，而信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 的信號(hào)是通知應(yīng)用進(jìn)程可以開始 I/O。
