五种IO模型

五种IO模型

• 同步阻塞IO
• 同步非阻塞IO
• IO多路复用（select、poll、epoll）
• 信号驱动IO（SIGIO）
• 异步IO（POSIX 的 aio_系列函数）

首先先说明一点概念，IO执行的两个阶段

在进行IO操作时，通常会经历两个阶段：
第一个阶段：系统内核缓冲区先等待数据准备好。
第二个阶段：当系统内核数据准备好之后，将内核空间的数据拷贝到用户空间（制定进程缓冲区）。

针对于网络套接字方面的IO操作，第一步需要先将网络中的数据从网络中送达至网卡，然后再将其复制到内核缓冲区，第二步就是把内核中的数据拷贝至指定的用户进程缓冲区。

同步 & 异步

同步描写的是被调用者选择的方式
同步机制：A调用B，B的处理是同步的，所以B在处理完成之前不会通知A，只有处理在处理完成之后才会通知A。
异步机制：A调用B，B的处理是异步的，所以B在接收到A的请求之后，会首先告知A“我已经接收到你的请求了”，然后当B处理完成之后通过回调等方式通知A。

阻塞 & 非阻塞

阻塞非阻塞描述的是调用方的状态
阻塞请求：A调用B，在A调用之后，A一直等着B返回，不做其他事情。
非阻塞请求：A调用B，在A调用之后，A先去忙A所要做的其他事情，不需要等B的返回。

同步阻塞IO

在linux下，默认的情况下所有的网络socketIO都是阻塞式IO，一般情况下是这样的

在进行recvfrom读取系统内核缓冲区数据的时候，进入系统调用，然后内核缓冲区并没有数据，所以，进程什么事情都不做，阻塞式等待系统完成的两个阶段。
在IO执行的两个阶段，进程都处于阻塞状态，在等待数据返回的过程中，不做任何的事情，阻塞的等在那里

同步非阻塞IO

在非阻塞IO中，进行recvfrom的调用时， 进程并没有被阻塞，在数据没有准备好时，内核告知用户区进程数据未就绪，然后返回一个errno（EAGAIN or EWOULDBLOCK），用户区进程在返回之后，可以处理其他业务逻辑，过一会儿再调用recvfrom函数，进行系统调用，采用轮询的方式检查内核数据是否就绪直到内核数据就绪，然后内核将其拷贝到进程缓冲区。

在非阻塞状态下，IO执行的第一个阶段用户区进程可以进行其业务逻辑，但是在IO执行的第二个阶段，用户区还是需要进行阻塞等待内核拷贝数据。
同步非阻塞与同步阻塞优缺点
优点：非阻塞能够在等待的时间内完成其他任务。
缺点：任务处理的时间增大了，因为要没过一段时间轮询的访问read操作。

IO多路复用

IO多路复用的意思是可以单进程同时处理多个网络IO操作基本原理不是有应用程序自己监视数据是否就绪，而实有内核代替其进行监视多个socket文件描述符。
以select为例，select可以一次创建多个文件描述符，并将其交予内核监控当用户调用select时，进程阻塞，同时，内核会监管所有select负责的socket文件描述符，当有任何一个文件描述符就绪时，就会返回给用户，用户在调用read操作，将该文件描述符下的内核中的数据读入进程缓冲区。

优点
与传统的多线程/多进程服务器相比，IO多路复用的最大优势就是系统开销小，系统不需要创建新的额外的线程/进程，即可对多个网络连接进行控制操作。
同样会阻塞在IO的第二阶段。

信号驱动IO

应用进程首先先创建一个信号处理函数，进程进行系统调用read时，可以不阻塞继续运行，当数据准备好时，内核发送要给SIGIO的信号给应用程序，可以在信号处理函数中进行IO相关操作。

阻塞在IO的第二个阶段。

异步IO

因为异步IO不是顺序执行的，所以在进行异步IO时需要用到异步IO接口，aio_read系统调用，在用户调用该函数之后，可以继续执行其他逻辑，无论是否准备好，内核都会通知用户可以做其他事情。然后当内核数据准备好时，内核即可发送通知告知用户处理数据。

IO的两个阶段都是非阻塞的。
Linux下，通知的方式有三种

• 强行打断：在进程处理其他逻辑时，在该点进行标记，然后优先处理内核数据。
• 等待返回：如果进程在内核态进行操作，则内核发送的信号就会等待到内核处理完成，在发送给用户进程。
• 进程唤醒：如果进程被挂起，则内核会将其唤醒，等待CPU的调度。

五种IO模型的比较