I/O模型： 阻塞、非阻塞、I/O復(fù)用、同步、異步

I/O模型不論在實(shí)際使用還是準(zhǔn)備筆試面試中都是重要的內(nèi)容，參考Unix網(wǎng)絡(luò)編程進(jìn)行總結(jié)如下。

明確I/O考察的對(duì)象和流程

參考Unix網(wǎng)絡(luò)編程，一個(gè)輸入操作通常包括兩個(gè)不同的階段：

1. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
2. 從內(nèi)核向進(jìn)程復(fù)制數(shù)據(jù)

對(duì)于一個(gè)套接字的輸入操作，第一步通常涉及等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)到達(dá)，當(dāng)所等待分組到達(dá)時(shí)，被復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)；
第二步就是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)。

理解上述兩個(gè)不同階段對(duì)于后續(xù)理解I/O模型尤其是非阻塞I/O與同步I/O關(guān)系十分必要。

I/O模型

1. 阻塞式I/O模型

阻塞式I/O是最流行的I/O，也是所有套接字默認(rèn)的I/O。

阻塞式IO.png

如圖所示，進(jìn)程調(diào)用recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，直到數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)且被復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)中或發(fā)生錯(cuò)誤才返回。
也就是說(shuō)，進(jìn)程從調(diào)用recvfrom開(kāi)始到返回的整個(gè)時(shí)段都是阻塞的（上述兩個(gè)階段都是阻塞），recvfrom成功返回后，應(yīng)用進(jìn)程才開(kāi)始處理數(shù)據(jù)報(bào)。

2. 非阻塞I/O模型

當(dāng)所請(qǐng)求的I/O操作非得把本進(jìn)程投入睡眠才能完成時(shí)，不投入睡眠，而是返回一個(gè)錯(cuò)誤。

非阻塞IO.png

如圖所示，不同于阻塞式I/O，非阻塞I/O在第一階段數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好的時(shí)候，不阻塞，而是直接返回一個(gè)錯(cuò)誤（EWOULDBLOCK）。
所以一般采用輪詢（polling）的方式，應(yīng)用進(jìn)程持續(xù)輪詢內(nèi)核，查看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，被復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)（第二階段）。

注*：值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)?shù)谝浑A段數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，進(jìn)入第二階段，內(nèi)核向內(nèi)存的復(fù)制。這一階段仍然是阻塞的，這對(duì)于后續(xù)理解非阻塞與同步的關(guān)系十分重要。

3. I/O復(fù)用模型

I/O復(fù)用最常見(jiàn)的就是select和epoll，其阻塞發(fā)生在上述兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用之一，而不是真正的I/O系統(tǒng)調(diào)用上

IO復(fù)用.png

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了select，那么整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞于select。內(nèi)核會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的套接字，當(dāng)任何一個(gè)套接字中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回。

可以注意到select和epoll_wait會(huì)因?yàn)闆](méi)有數(shù)據(jù)而引發(fā)超時(shí)返回0的，所以這倆也是會(huì)阻塞，而且讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)肯定要阻塞

這時(shí)候進(jìn)入第二階段，完成內(nèi)核向內(nèi)存的數(shù)據(jù)復(fù)制。
I/O復(fù)用的優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)等待多個(gè)描述符就緒，單就一個(gè)描述符可言，其沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，反而還會(huì)因?yàn)槎嘁淮蝧elect系統(tǒng)調(diào)用存在劣勢(shì)。

4. 異步I/O模型

異步I/O的工作機(jī)制是告知內(nèi)核啟動(dòng)某個(gè)操作，并讓內(nèi)核在整個(gè)操作（包括第二階段數(shù)據(jù)從內(nèi)核向用戶進(jìn)程的復(fù)制）完成后告知我們。
如下圖所示

異步IO.png

異步I/O要通過(guò)調(diào)用特殊API實(shí)現(xiàn)（如POSIX的aio_read），可以看出，其在兩個(gè)階段都是沒(méi)有對(duì)于用戶進(jìn)程的阻塞的，依靠信號(hào)通知進(jìn)程整個(gè)過(guò)程完成。

5. ** 同步、異步與阻塞、非阻塞、I/O復(fù)用的關(guān)系**

首先先來(lái)再明確一下同步、異步I/O之間的區(qū)別。
書(shū)中所述，POSIX把兩種術(shù)語(yǔ)定義如下：

• 同步I/O：導(dǎo)致請(qǐng)求進(jìn)程阻塞，直到I/O操作完成；
• 異步I/O: 不導(dǎo)致請(qǐng)求進(jìn)程阻塞。
  所以說(shuō)，阻塞式I/O， 非阻塞I/O， I/O復(fù)用由于都導(dǎo)致了請(qǐng)求進(jìn)程阻塞，所以均屬于同步I/O。

（值得注意的是非阻塞I/O，正如之前提示要注意的，其在第二階段內(nèi)核向內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)是會(huì)導(dǎo)致用戶進(jìn)程的阻塞，所以也屬于同步I/O）

想使用異步I/O，必須使用特殊的API（如linux下AIO,Windows下IOCP等）。

同步異步IO分類(lèi).png

總結(jié)

IO模型總結(jié).png

可以看出阻塞式、非阻塞式、與I/O復(fù)用，其不同之處在于第一階段，第二階段的處理方式相同（均阻塞與recvfrom調(diào)用），這也是剛才說(shuō)到的將他們歸于同步I/O的原因。
而異步I/O不存在請(qǐng)求進(jìn)程阻塞的情況。同時(shí)注意前三種I/O模型在第一階段的處理方式（阻塞，返回+輪詢，阻塞于select等），區(qū)分這三種I/O模型。

最后，再舉幾個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)睦觼?lái)說(shuō)明這四個(gè)IO Model:
有A，B，C，D四個(gè)人在釣魚(yú)：
A用的是最老式的魚(yú)竿，所以呢，得一直守著，等到魚(yú)上鉤了再拉桿；
B的魚(yú)竿有個(gè)功能，能夠顯示是否有魚(yú)上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會(huì)再看看有沒(méi)有魚(yú)上鉤，有的話就迅速拉桿；
C用的魚(yú)竿和B差不多，但他想了一個(gè)好辦法，就是同時(shí)放好幾根魚(yú)竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說(shuō)魚(yú)上鉤了，它就將對(duì)應(yīng)的魚(yú)竿拉起來(lái)；
D是個(gè)有錢(qián)人，干脆雇了一個(gè)人幫他釣魚(yú)，一旦那個(gè)人把魚(yú)釣上來(lái)了，就給D發(fā)個(gè)短信。