深入理解I/O模型

目录

一、I/O 模型简介

二、I/O 模型

2.1 同步阻塞 I/O

        2.2 同步非阻塞I/O

        2.3 I/O多路复用

        2.4 异步I/O

        2.5 信号驱动 I/O

三、总结

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一、I/O 模型简介

        所谓的 I/O 就是计算机内存与外部设备之间拷贝数据数据的过程。有 5 种 I/O 模型，分别是同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、多路复用I/O、信号驱动 I/O 和异步 I/O。为什么需要这么多的 I/O 模型呢？

        CPU 访问内存的速度远远高于外部设备，因此 CPU 是先把外部设备的数据读取到内存里，然后进行处理。当你的程序向外部设备发起一个读指令时，数据从外部设备拷贝到内存里需要一段时间才能完成，这个时候 CPU 做什么工作呢？是让 CPU 处理其他工作，还是让 CPU 不停地去查数据？这就是 I/O 模型要解决的问题，这里来探讨下各种网络模型。

二、I/O 模型

        对于一个网络 I/O 的通信过程，比如网络数据读取，会涉及两个对象，一个是调用这个操作的用户线程，一个是操作系统的内核。一个进程的地址空间分为用户空间和内核空间，用户线程不能直接访问内核空间。

        当用户发起一个网络数据读取的 I/O 操作后，会经历以下两步：

• 用户线程等待内核将数据从网卡拷贝到内核空间
• 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

        各种 I/O 模型的区别就是他们实现这两步的方式不一致。

2.1 同步阻塞 I/O

        同步阻塞 I/O （BIO） 是一种最基本的 I/O 模型，也是最常见的 IO 处理方式。在同步阻塞 I/O 模型中，当一个进程或线程发起一个 I/O 请求，该进程或线程会一直阻塞着，直到请求完成为止。

        比如读取网络数据，用户线程发起 read 调用后就阻塞了，内核等待网卡数据到来，把数据从网卡拷贝到内核空间，再把用户线程唤醒。

        同步阻塞 I/O 模型相对实现比较简单，易于理解和编码，在低并发场景下，可以保证数据的及时处理和响应。但在高并发场景下效率低下，因大量线程可能被阻塞，导致CPU资源浪费，难以扩展到大量并发连接的情况，创建大量线程上下文切换开销大，容易出现性能瓶颈。