Unix系统下的5种I/O模型 及其应用场景（BIO NIO AIO）

什么是I/O

• 这里我们管CPU和内存之间的交互不叫IO哈~
• 只有本机和外部的交互才叫IO，分为两大类：主机和外设（磁盘也属于外设哈）之间的IO，两台主机之间的网络IO。 
• 和外部交互这一工作，可以由CPU直接进行，大部分是由内存去和外设交互的（毕竟太慢了拖累CPU效率嘛），不需要纠结到底是CPU还是内存，只需要知道是主机在和外部IO即可！

分清模型和应用产品

学习之前我们要分清什么是模型，什么是实际应用场景。模型就是下面要说的5个，属于理论，实际应用就是在市场中的实现，java BIO、java NIO就是模型的应用，网络I/O中的socket也是应用，还有CPU和外设的终端机制也是应用。对比来理解，关系型数据库理论可以看做模型，MySQL、SQL Server就是这个理论的应用。

前言

• 因为我们现在讲的是UNIX系统下的IO模型，UNIX是C语言写的，所以下面讲的函数以及代码演示都是C的函数哦。

• 以网络IO为例，当程序请求获取网络数据的时候，需要经历两次拷贝：

  1. 程序需要等待数据从网卡拷贝到内核空间。
  2. 因为用户程序无法访问内核空间，所以内核又得把数据拷贝到用户空间，这样处于用户空间的程序才能访问这个数据。

对应的就是这张图里框出来的两部分：

介绍这么多就是让你理解为什么会有两次拷贝，且系统调用是有开销的，因此最好不要频繁调用。

然后我们今天说的 I/O 模型之间的差距就是这拷贝的实现有所不同！

今天我们就以 read 调用，即读取网络数据为例子来展开 I/O 模型。
 

一、5种I/O模型

UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种： 同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

• 数据准备阶段和数据拷贝阶段：

• 阻塞和非阻塞：阻塞和非阻塞指的是数据准备阶段进程是否需要阻塞等待。或者这样理解，还记得UDP的receive()方法和TCP的accept()方法吗，什么都没收到也不知道会不会收到的时候也要阻塞等待，这叫阻塞。

• 同步和异步：同步和异步指的是数据拷贝阶段进程是否需要阻塞，阻塞为同步，不阻塞为异步

分为4种同步的，1种异步的。同步和异步很好理解，同步的定义我们在操作系统已经深入理解了：“进程A的执行需要B的结果，所以并发执行的进程需要在某些点上相互等待”，也就是CPU/进程在内核拷贝数据的时候要一直阻塞等待I/O完成，才能继续干自己的事情。异步是指在内核拷贝数据的时候，应用进程也不需要阻塞，从头至尾和I/O是并行的。

1.1 阻塞IO模型

1. 模型介绍

2. 典型应用

阻塞socket、Java BIO

3. 特点

Java BIO

        我们就用TCP socket这个典型BIO去看一下BIO的特点。BIO会给每个accept接收到的客户端连接单独开一个线程去处理（为什么这样做呢？以为如果只有一个线程的话，客户端那边来了一个请求，服务端这边accept接收到了，然后阻塞在read方法等待客户端输入，如果这个客户端迟迟不输入，那么其他陆陆续续来的连接请求都得不到处理，所以BIO给每个请求单独开一个线程，这样就保证新来的请求一直能够被处理，互联网发展初期，网站的用户请求不多时，BIO是能用的，但是当请求量激增的时候呢？来了50万个请求，给开50万个线程吗？服务器崩掉！

1.2非阻塞IO模型

1. 思想：虽然该模型叫非阻塞I/O模型，但是只是下图中等待数据的阶段不用阻塞，接收数据的时候依然要阻塞哦，只有异步I/O在接收数据的时候也不需要阻塞。

2.典型应用：CPU的查询方式访问I/O

3. 特点

轮询会消耗大量CPU资源，CPU效率低下，计组时就讲过CPU轮询太浪费资源，一定会被淘汰的，所以非阻塞IO只有在特定场景下才会被用到

CPU和外设只能串行，CPU不能并发和多个线程通信，只能和一个线程通信。

1.3 I/O复用模型

思想:之前都是执行主要任务的线程自己负责和I/O通信，现在额外开辟一个线程，专门负责和I/O通信的，叫做select线程， select会监听所有注册进来的IO，当select线程接收到来自外设的I/O请求后，再交给应用线程进行数据的I/O

典型应用：select、poll、epoll三种方案，nginx都可以选择使用这三个方案;Java NIO;

java NIO

JDK1.4前只能用BIO，当时程序规模不大，互联网在起步阶段并发要求也不高，所以BIO够用，但是逐渐不够用了。从JDK1.4开始，java提供了NIO，NIO比BIO强在哪里？

1. BIO需要一直阻塞，浪费CPU资源，NIO不需要阻塞

1. BIO在同一时间只能为一个客户端线程提供服务，NIO可以同时和多个客户端线程通信

选择器（selector）：监听

通道（channel）：

缓冲区（buffer）：外设的数据不是直接给进程，而是先放到缓冲区里，这样就可以实现一个服务器线程和多个客户端线程通信了。

1.4 信号驱动I/O模型

还是同步的，因为数据从内核拷贝到用户空间时，进程是阻塞的。

当进程发起一个IO操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

典型应用：中断机制

1.5 异步I/O模型

        消息中间就是异步，客户端和服务器各干各的。

        实现太复杂，太复杂，现在没人用。你想啊，现在的RPC、RMC、中断机制都是主线程阻塞，先去处理子线程，子线程处理完了再返回主线程，都是同步的。

        异步的不是不可以实现，而是实现起来太复杂了。