linux编程下的五种网络I/O模型

在linux下编程，我们常见有四种调试模式，分别是同步(Sync)，异步(Async)，阻塞(block)和非阻塞(Unblock).
同步和异步的概念描述的是用户的线程与内核IO操作的方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后任然继续不断的执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。
linux下编程有五种IO模型，下面分别来介绍一下：
（1）同步阻塞IO(Block IO):
就是传统的IO模型，在linux中默认情况下的socket进程都是阻塞模式。当用户进程调用了read（）这个系统调用，内核就开始了IO的的第一个阶段：准备数据。对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比喻还没收到一个完整的udp数据包），内核就要等待足够多的数据到来。在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当内核得到足够多的数据时，内核才会将准备好的数据发给用户进程，然后内核返回结果，用户进程解除阻塞。像socket的其他函数如write，listen等也都是阻塞型的，其改进的方法就是使用多进程或者多线程，这样其中一个连接阻塞也不会影响其他的连接。
（2）同步非阻塞（Non-blocking IO）：
同步非阻塞IO是建立在同步阻塞IO的基础上的，将socket设置为NONBLOCK，这个可以使用ioctl（）系统调用设置。这样用户进程可以在发起IO请求后立即返回，如果该次请求没有读取到任何数据，用户线程需要不断的发起IO请求，知道数据到达后才真正的读取到数据，继续执行。整个IO请求的过程中，虽然每次发起的IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断的重复请求，消耗了大量的CPU资源。所以一般很少会用这种IO模型。
（3）IO多路复用（IO Multiplexing）：
IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，我在之前写过一篇博客就是关于实现多路复用的select函数，它可以避免同步阻塞IO模型中的轮询等待问题，还有poll，epoll也是这种模型。在该模式下，用户需要将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回，当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。从流程上看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞相似，甚至还添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。使用select函数的最大优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断的调用设了select读取被激活的socket，可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的，而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。
(4) 信号驱动IO（signal driven IO）：
调用sigaltion系统调用，当内核中IO数据就绪时以SIGIO信号通知请求进程，请求进程
再把数据从内核读入到用户空间，这一步是阻塞的。
（5）异步IO（Asynchronous IO）：
即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。“真正”的异步IO需要操作系统更强
的支持。在IO多路复用模型中，事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异
步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户
线程直接使用即可。

相比于IO多路复用模型，信号驱动IO和异步IO并不十分常用

为了更好的了解，我把前三种IO模型做了个形象的比喻：
1.阻塞IO：给朋友发一条微信，说晚上一起打球，并等待朋友的回信，这期间你会一直等，不会做其他事情，一直到他给你回复。
2.非阻塞IO：给朋友发微信，如果不回，一直发，这期间你只会发短信，而不会干其他事情，直到他给你回复。
3.IO多路复用：给朋友发完微信，叫一位舍友帮忙监视手机是否收到回复，这期间你可以干其他的事，你可以玩游戏，也可以看书，而这位舍友的名字可以叫select，也可以叫poll，也可以叫epll。