简述Linux下的5种I/O模型

最新推荐文章于 2025-06-23 08:28:29 发布

Snail_Dawn

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分类专栏： netty 文章标签： io 异步同步阻塞io 模型

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本文详细解释了同步与异步、阻塞与非阻塞的概念及其区别，并介绍了Linux下的五种I/O模型，包括阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O复用、信号驱动及异步I/O模型。

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在说正文之前我觉得有必要解释一下同步（synchronous）IO，异步（asynchronous）IO，阻塞（blocking）IO和非阻塞（non-blocking）IO到底是什么，有什么区别：

同步/异步：同步和异步主要强调一种处理方对请求方的行为，主动权在处理方。在请求方向处理方发起一次请求调用时，处理方决定以何种方式向请求方发送数据，让请求方一直等待处理方把事情做完这就是同步，处理方告诉请求方，你去搞别的事吧，好了会通知你（可以通过状态，通知，回调来通知请求方），这就是异步。举一个简单的例子，你（请求方）打电话点外卖，问老板（处理方）鱼还有没有了。于是老板会说，“你等一下，我去查一下”,对于同步的方式，处理方老板选择让请求方你等，所以你就等啊等，等啊等，等了天昏地暗，海枯石烂，老板告诉你，鱼没有了。然而对于异步的方式，老板选择不让你等，有结果会打电话通知你，所以你会选择挂断电话，想起今天的报纸还没看，就去看报纸了，也不知道看了多久，老板打电话过来告诉你，鱼已经卖完了。
阻塞/非阻塞：阻塞和非阻塞主要强调一种请求方在等待结果时的行为，主动权在请求方。阻塞指的是调用结果返回之前，当前线程会被“挂起”，调用线程只有在得到结果之后才会返回。而非阻塞是指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。还是上面的例子，对于阻塞方式，当你问老板有没有鱼时，你会“挂起”自己，选择在电话那头一直等待结果，直到等到结果才恢复自由。对于非阻塞，你一直是自由状态的，可以选择挂断电话，做自己喜欢的事情，当然你会时不时打电话去问老板有没有结果了。

在理解了同步和异步，阻塞和非阻塞的区别之后，这还远远不够，很多人都会把同步和阻塞，异步和非阻塞混为一谈，其实这之间的区别还是挺大的。下面我们把这四种方式两两组合，依旧是那个例子来说明。

同步阻塞：老板选择让你一直等待，而你也不能去做其他的事情，所以同步阻塞的表现是你在电话那头一直等待结果。
同步非阻塞：老板选择让你一直等待，但是你可以一边等一边去做其他的事，而且你需要时不时打电话给老板问他有没有结果了，所以同步非阻塞的表现是你在电话那头一边等待一边看报纸，看一会打个电话问问老板有没有结果了。
异步阻塞：老板选择让你不用一直等待，可以做其他的事情，他到时候会主动联系你告诉你结果，但是你是阻塞状态的，不能去做其他的事情。所以异步阻塞的表现是你挂掉电话，在家里一直等待老板的回复，期间你不能做任何事情，直到老板打来电话告诉你结果。
异步非阻塞：老板选择让你不用一直等待，可以做其他的事情，他到时候会主动联系你告诉你结果，而且你也是非阻塞状态的，可以去做其他的事情。所以异步非阻塞的表现是你挂掉电话，去看报纸，老板过了不知多久会主动打来电话告诉你结果。

讲完了这些，是时候进入我们的正题了，linux下的io模型分为以下几种：

阻塞I/O模型
非阻塞I/O模型
I/O复用模型
信号驱动模型
异步I/O模型

当 I/O通信发生时，会涉及到两个对象，一个是调用I/O的进程或者线程，另一个是系统内核。同时，也会经历两个阶段，一个是数据准备，另一个是将数据从内核拷贝到进程中。

阻塞I/O模型.
这里写图片描述
我们可以看到当用户进程调用recvfrom时，系统便开始了I/O通信的第一个阶段，数据准备。数据是没有那么快准备好的，内核需要等待足够多的数据到来。一旦数据准备好，系统就会将数据从内核拷贝到进程中，并返回结果。整个过程，用户进程都是阻塞的，需要全程等待。

非阻塞I/O模型.
这里写图片描述
从图中可以看出，当用户进程调用recvfrom时，系统不会阻塞用户进程，而是直接返回一个ewouldblock错误，用户进程判断标志是ewouldblock时，就知道数据还没准备好，于是它就可以去做其他的事了，同时它也会轮询检查这个状态，看内核是不是有数据到来。一旦数据准备好之后，便会马上将数据从内核拷贝到用户进程中，然后返回。

I/O复用模型.
这里写图片描述
I/O复用模型最大的好处就是一个进程可以处理多个I/O操作。I/O复用模型会用到select、poll，这也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的是，它可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O。

信号驱动模型.
这里写图片描述
从图中，很明显可以看出用户进程不是阻塞的。首先用户进程建立SIGIO信号处理程序，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数，这时用户进程便可以做其他的事了，一旦数据准备好，系统便为该进程生成一个SIGIO信号，去通知它数据已经准备好了，于是用户进程便调用recvfrom把数据从内核拷贝出来，并返回结果。