5大IO模型

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理解同步异步和阻塞非阻塞

这四个概念总是很容易让人混淆，有时还会将同步跟阻塞等同起来或是“异步=非阻塞。”

• 1.同步：调用一个功能时，死等结果，没有结果之前不会反回，针对的是被调用者。
• 2.异步：调用一个功能时，可以立即返回，待这个功能处理完后通过回调等其方式进行通知，也是针对被调用者而言的。
• 3.阻塞：调用一个功能时，在调用结果返回之前，当前线程会被挂起，只有在得到结果之后才会返回，针对调用者。
• 4、非阻塞：非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回，然后通过select或poll或epoll方式通知调用者，针对调用者。

看到这里，我们心中多少有点b数了，我们可以说调用者以同步或异步的方式调用一个函数，但不能说以阻塞和非阻塞的方式调用一个函数。我们也可以说用阻塞的方式在实现同步调用，但不能将“阻塞=同步”

再拓展一下，阻塞将当前线程挂起后，此时这个线程就不再是激活状态了，而对于同步而言，当前线程还是可以处于激活状态的，只是没有返回结果，一直白等着而已（占用资源）。

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Linux中5大IO模型

首先，我们要明白IO的过程，无论是读写文件还是针对socket的数据传输，我们一般都不是“直接”操作，如：读写文件，就调用read、write函数对磁盘操作。用socket传输数据就调用send/accept来发送或接受数据。这个过程需要借助操作系统的内核中的缓冲区，如借助socket发送数据，是将用户进程的数据拷贝到缓冲区中，然后由内核决定什么时候发送。

• 1.[同步]阻塞I/O（blocking I/O）
  对于阻塞IO来说，进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成

• 2.[同步]非阻塞I/O （nonblocking I/O）
  对于非阻塞IO来说，当用户线程发起一个read或write操作后，并不需要等待，而是立即返回结果。此时，可能处于两种状态，如果数据已经准备好了，那没事，正常操作。

  如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送同样的操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上将数据拷贝到内核缓冲区或者从内核的缓冲区读取数据，然后返回。

  在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。注意一点：在数据拷贝的过程中，进程是阻塞的。

• 3.[同步]I/O复用(select 和poll、pselect、epoll) （I/O multiplexing）
  在Linux系统中，支持IO复用的有着几种方式：select 和poll、pselect、epoll。

  关于这方面的描述，copy了盛延敏大佬在网络编程一文中的描述：epoll 的性能是要比 poll 或者 select 好。

  这要从两个角度来说明。第一个角度是事件集合（读写请求）。在每次使用 poll 或 select 之前，都需要准备一个"感兴趣"（对应代码中，可读、可写和异常事件对应的文件描述符集合）的事件集合，系统内核拿到事件集合，进行分析（时间复杂度O(n)）并在内核空间构建相应的数据结构来完成对事件集合的注册。

  int select(
  	int nfds, /**被监听的文件描述符的总数*/
  	fd_set *readfds, /*可读事件对应的文件描述符集合*/
  	fd_set *writefds, /**可写事件对应的文件描述符集合*/
  	fd_set *exceptfds, /*异常事件对应的文件描述符集合*/
  	struct timeval *timeout
  	);
  int poll(
  /*程序员感兴趣的文件描述符上发生的可读、可写、异常等事件的集合*/
  	struct pollfd *fds, 
  	nfds_t nfds, 
  	int timeout
  	);
  

  [备注]文件描述符，指的是一个非负整数，表明每个被进程打开的文件。
  

  而 epoll 则不是这样，epoll 维护了一个全局的事件集合，通过 epoll 句柄，可以操纵这个事件集合，增加、删除或修改这个事件集合里的某个元素。要知道在绝大多数情况下，事件集合的变化没有那么的大，这样操纵系统内核就不需要每次重新扫描事件集合（O(1)的时间复杂度），构建内核空间数据结构。

  第二个角度是就绪列表。每次在使用 poll 或者 select 之后，应用程序都需要扫描整个感兴趣的事件集合，从中找出真正活动的事件，这个列表如果增长到 10K 以上，每次扫描的时间损耗也是惊人的。事实上，很多情况下扫描完一圈，可能发现只有几个真正活动的事件。而 epoll 则不是这样，epoll 返回的直接就是活动的事件列表（活动的事件列表用一个双向链表保存着，找活动事件时，直接调用这个链表），应用程序减少了大量的扫描时间。

• 4.[同步]信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）

  信号驱动式会通过系统调用先建立 SIGIO 的信号处理函数, 然后立即返回而不阻塞。 当内核准备好数据, 向用户进程递交 SIGIO 信号, 此时进程可以开始使用 recvfrom 函数系统调用, 将数据复制到用户空间(此过程是阻塞的，这里也是用户进程主动去读取的). 之后, 只有当 recvfrom 成功执行后, 进程才执行 sendto 向客户端响应数据.

  注意，同步信号在TCP中比较少用，因为SIGO是没有额外的标志信息的，而TCP中譬如三次握手、四次分手都会产生多种信号，这对系统而言是无法区分的。但UDP可以，UDP只有一次请求，SIGO信号可以用来表明内核已经准备好数据了。

• 5.异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

  前面4种方式，无论阻不阻塞，又或者信号驱动，最后都是需要用户进程去读进行IO操作（对于写而言，是将用户进程数据写到内核缓冲区，对于读操作是将内核缓冲区数据读取到用户进程的缓冲区中），而异步不是的，数据的IO操作都是由内核完成的。在完成之后，内核通知用户进程IO完成，而对于信号驱动IO，是通知用户进程数据准备好了。

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