在學(xué)習(xí)NIO之前，我們非常有必要了解一下操作系統(tǒng)中的各種IO模型，否則是不會(huì)理解NIO的實(shí)現(xiàn)的．

這篇文章是我翻譯I/O Multiplexing: The select and poll Functions這篇文章中的前半部分關(guān)于IO模型的部分．這篇文章中，還對(duì)select()等系統(tǒng)調(diào)用有更加深入的介紹，各位不妨讀一下．

正文

在Unix下，我們有五種不同的IO模型，分別是：

• 阻塞IO(Blocking IO)
• 非阻塞IO(Nonblocking IO)
• I/O復(fù)用(I/O Multiplexing)
• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO(signal driven I/O)
• 異步IO(Asynchronous IO)

對(duì)于一個(gè)讀操作來說，一般會(huì)經(jīng)過下面兩個(gè)過程：

• 等待數(shù)據(jù)就緒．比如說，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接來說，就是等待數(shù)據(jù)通過連接到達(dá)主機(jī)．當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)時(shí)，把數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中的緩沖區(qū)．
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程．即把數(shù)據(jù)從內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)．

阻塞IO

最常用的IO模型就是阻塞IO．默認(rèn)情況下，全部的socket都是阻塞的．其處理過程如下圖所示：

在這個(gè)例子中，我們會(huì)通過UDP而不是TCP來舉例，因?yàn)閷?duì)于UDP來說，等待數(shù)據(jù)就緒這一步更加直觀：要不就是收到了一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，要不就是沒收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)．但是對(duì)于TCP來說，還有很多額外的變量．

上圖中的recvfrom是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用．當(dāng)我們執(zhí)行一次系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，有一次從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換．

從上圖中我們可以看到，進(jìn)程調(diào)用recvfrom之后，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用并不會(huì)立即返回，它會(huì)等到數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)并且被拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)中，或者出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，才會(huì)返回．我們稱這個(gè)過程是阻塞的，應(yīng)用程序只有在數(shù)據(jù)報(bào)被放入緩沖區(qū)之后，才能繼續(xù)進(jìn)行．

非阻塞IO

非阻塞IO和阻塞IO相對(duì)，它會(huì)告訴內(nèi)核，"當(dāng)我要你完成的IO操作不能完成時(shí)，不要讓進(jìn)程阻塞，你給我返回一個(gè)錯(cuò)誤就行了"．過程如下圖所示：

• 在上面的三個(gè)recvfrom操作中，由于數(shù)據(jù)并沒有就緒，所以內(nèi)核返回了一個(gè)EWOULDBLOCK錯(cuò)誤．
• 在第四個(gè)recvfrom中，數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒了，并且已經(jīng)被拷貝到我們的應(yīng)用程序的緩沖區(qū)了，內(nèi)核返回一個(gè)OK，然后我們的應(yīng)用程序處理這些數(shù)據(jù)．

我們可以看到，在這種模型中，我們需要使用輪詢的方式來確定數(shù)據(jù)到底是否就緒．盡管這會(huì)浪費(fèi)CPU時(shí)間，但是仍然是比較常見的模型，一般是在系統(tǒng)函數(shù)中用到．

I/O多路復(fù)用

在I/O多路復(fù)用中，我們會(huì)調(diào)用select()或者poll()，并且阻塞在這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用上．而不是阻塞在recvfrom這個(gè)實(shí)際的IO操作的系統(tǒng)調(diào)用上．下面是I/O多路復(fù)用模型的過程圖：

從上圖中，我們可以看到，我們會(huì)阻塞在select()這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用上，并等待數(shù)據(jù)到達(dá)．當(dāng)select()告訴我們數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，再通過recvfrom系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)．

看到這里，如果各位不了解select()，可能就會(huì)有一個(gè)疑問．你這不是脫了褲子放屁嗎？這不是還是跟阻塞IO模型一樣，還是阻塞嗎？只不過現(xiàn)在不是阻塞在recvfrom上，而是阻塞在select上而已．而且，現(xiàn)在還多了一次系統(tǒng)調(diào)用，那效率不是更低嗎？

多了一次系統(tǒng)調(diào)用，確實(shí)是I/O多路復(fù)用模型的缺點(diǎn)．但是存在即合理，它也有優(yōu)點(diǎn)．

它的優(yōu)點(diǎn)在于，select可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件描述符，以及感興趣的事件．所以，我們可以在一個(gè)線程中完成之前需要好多個(gè)線程才能完成的事情．

比如，我們想要同時(shí)從一個(gè)接受來自Socket的數(shù)據(jù)，以及從文件中讀數(shù)據(jù)．在阻塞IO模型中，我們會(huì)這么做：

  1．創(chuàng)建一個(gè)線程A，在其中創(chuàng)建一個(gè)Socket Server，并通過它的accept()方法，等待客戶端的連接并處理數(shù)據(jù)
  2．創(chuàng)建一個(gè)線程B，在其中打開文件并且讀數(shù)據(jù)．

這就需要兩個(gè)線程，對(duì)吧？

而且我們又知道，線程之間的切換是有開銷的，也是需要涉及到用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換．

而我們?cè)贗/O多路復(fù)用模型中，可以這樣做：

  1．通過注冊(cè)函數(shù)告訴系統(tǒng)，應(yīng)用程序?qū)τ赟ocket的讀事件以及文件的讀事件感興趣
  2．通過輪詢調(diào)用select()方法，查看哪些我們感興趣的事件已經(jīng)發(fā)生了
  3．在同一個(gè)線程中，依次進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作

我們可以看到，在這里我們只需要用一個(gè)線程就可以做到在阻塞IO中我們需要兩個(gè)線程才能做到的事情．這就是I/O復(fù)用中的復(fù)用的含義．

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO使用信號(hào)量機(jī)制，它告訴內(nèi)核，當(dāng)文件描述符準(zhǔn)備就緒時(shí)，通過SIGIO信號(hào)通知我們．過程如下：

• 我們首先通過sigaction系統(tǒng)調(diào)用安裝一個(gè)事件處理器．這個(gè)操作會(huì)立即返回．所以我們的應(yīng)用程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，而不會(huì)阻塞．
• 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，內(nèi)核會(huì)給我們的應(yīng)用程序發(fā)出一個(gè)SIGIO信號(hào)，我們可以繼續(xù)進(jìn)行下面的處理：
  • 在信號(hào)處理器中，通過recvfrom系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)讀取到應(yīng)用程序緩沖區(qū)中
  • 告訴應(yīng)用程序從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)并且處理

這種模型的優(yōu)點(diǎn)是，在等待數(shù)據(jù)就緒時(shí)，應(yīng)用程序并不會(huì)被阻塞．應(yīng)用程序可以繼續(xù)運(yùn)行，只需要在數(shù)據(jù)就緒時(shí)，讓時(shí)間處理器通知它即可．

異步IO

異步IO模型跟事件驅(qū)動(dòng)IO模型類似，也是告訴內(nèi)核，在一定情況下通知我們．但是它跟事件驅(qū)動(dòng)IO模型不同的是，在事件驅(qū)動(dòng)IO模型中，內(nèi)核會(huì)在數(shù)據(jù)就緒，即數(shù)據(jù)被拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)時(shí)，通知我們．而在異步IO中，內(nèi)核會(huì)在整個(gè)操作都被完成，即數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)時(shí)，通知我們．如下圖所示：

• 我們調(diào)用aio_read這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，并且給內(nèi)核傳遞下面的數(shù)據(jù)：
  • 文件描述符，緩沖區(qū)指針，緩沖區(qū)大小
  • 文件偏移量
  • 當(dāng)整個(gè)操作完成時(shí)，如何通知我們
    這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用會(huì)立即返回，在整個(gè)操作完成之前，不會(huì)被阻塞

五種IO模型的比較

同步IO和異步IO

POSIX中，定義了下面的兩個(gè)術(shù)語：

• 同步IO：在整個(gè)IO操作完成之前，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞的IO操作叫做同步IO
• 異步IO：在整個(gè)IO操作完成之前，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞的IO操作叫做異步IO

我們可以看到，上面我們定義的五個(gè)IO模型，前四個(gè)(阻塞IO模型，非阻塞IO模型，IO復(fù)用模型，信號(hào)驅(qū)動(dòng)模型)都屬于同步IO，而只有異步IO模型屬于異步IO．

注意

原文中還有更多關(guān)于select等IO復(fù)用的詳細(xì)介紹，所以強(qiáng)烈建議各位讀一下原文．