浅聊Linux的五种IO模型

微信搜索：码农StayUp
主页地址：gozhuyinglong.github.io
源码分享：github.com/gozhuyinglo…git

在平常 Coding 中，多多少少都会接触到网络 IO，就会想要深刻了解一下。看了不少文章，老是云里雾里的感受，直到读了《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》中的介绍后，才豁然开朗。这里就给你们分享一下，若有不对，欢迎指出。github

1. 概念说明

为了便于理解后面的内容，咱们先来了解一些概念。编程

1.1 Socket

Socket 中文翻译为套接字，是计算机网络中进程间进行双向通讯的端点的抽象。一个 Socket 表明了网络通讯的一端，是由操做系统提供的进程间通讯机制。服务器

在操做系统中，一般会为应用程序提供一组应用程序接口，称为 Socket 接口（Socket API）。应用程序能够经过 Socket 接口，来使用网络 Socket，以进行数据的传输。微信
一个 Socket 由IP地址和端口组成，即：Socket 地址 = IP地址 : 端口号。markdown
在同一台计算机上，TCP 协议与 UDP 协议能够同时使用相同的端口（Port），而互不干扰。网络
要想实现网络通讯，至少须要一对 Socket，其中一个运行在客户端，称之为 Client Socket；另外一个运行在服务器端，称之为 Server Socket。异步
Socket 之间的链接过程能够分为三个步骤：（1）服务器监听；（2）客户端链接；（3）链接确认。socket

1.2 Socket 缓冲区

每一个 Socket 被建立后，都会在内核中分配两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。函数

经过 Socket 发送数据并不会当即向网络中传输数据，而是先将数据写入到输出缓冲区中，再由 TCP 协议将数据从输出缓冲区发送到目标主机。
经过 Socket 接收数据也是如此，也是从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

1.3 用户空间、内核空间、系统调用

操做系统的进程空间能够分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space），它们须要不一样的执行权限。

大多数系统交互式操做须要在内核空间中运行，好比设备 IO 操做。
咱们的应用程序运行在用户空间，是不具有系统级的直接操做权限的。若是应用程序想要访问系统核心功能，必须经过系统调用（System Call）来完成。好比调用recv()函数，会将输入缓冲区中的内容拷贝到用户缓冲区。
系统调用运行在内核空间，是操做系统为应用程序提供的接口。

下面列举了一些 Linux 操做系统中的系统调用接口（部分函数后面章节会用到）：

socketcall socket系统调用
socket 创建socket
bind 绑定socket到端口
connect 链接远程主机
accept 响应socket链接请求
send 经过socket发送信息
sendto 发送UDP信息
recv 经过socket接收信息
recvfrom 接收UDP信息
listen 监听socket端口
select 对多路同步IO进行轮询
shutdown 关闭socket上的链接
sigaction 设置对指定信号的处理方法

1.4 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞，用于描述调用者在等待返回结果时的状态。

阻塞：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，这期间当前线程会被挂起（阻塞）。
非阻塞：调用者发起请求后，会马上返回，当前线程也不会阻塞。该调用不会马上获得结果，调用者须要定时轮询查看处理状态。

1.5 同步与异步

而同步与异步，用于描述调用结果的返回机制（或者叫通讯机制）。

同步：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，即由调用者主动等待这个调用结果。
异步：调用者发起请求后，会马上返回，但不会马上获得这个结果，而是由被调者在执行结束后主动通知（如 Callback）调用者。

2. 五种 IO 模型

IO 模型是指：用什么样的通道或者说是通讯模式进行数据的传输，这很大程序上决定了程序通讯的性能。

Linux 系统为咱们提供五种可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路复用模型、信号驱动 IO 模型和异步 IO 模型。

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO （Blocking IO）：应用进程从发起 IO 系统调用，至内核返回成功标识，这整个期间是处于阻塞状态的。

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式IO（Non-Blocking IO）：应用进程能够将 Socket 设置为非阻塞，这样应用进程在发起 IO 系统调用后，会马上返回。应用进程能够轮询的发起 IO 系统调用，直到内核返回成功标识。

2.3 IO 多路复用模型

IO 多路复用（IO Multiplexin）：能够将多个应用进程的 Socket 注册到一个 Select（多路复用器）上，而后使用一个进程来监听该 Select（该操做会阻塞），Select 会监听全部注册进来的 Socket。只要有一个 Socket 的数据准备好，就会返回该Socket。再由应用进程发起 IO 系统调用，来完成数据读取。

2.4 信号驱动 IO 模型

信号驱动 IO（Signal Driven IO）：能够为 Socket 开启信号驱动 IO 功能，应用进程需向内核注册一个信号处理程序，该操做并当即返回。当内核中有数据准备好，会发送一个信号给应用进程，应用进程即可以在信号处理程序中发起 IO 系统调用，来完成数据读取了。

2.5 异步 IO 模型

异步 IO（Asynchronous IO）：应用进程发起 IO 系统调用后，会当即返回。当内核中数据彻底准备后，而且也复制到了用户空间，会产生一个信号来通知应用进程。

3. 总结

从上述五种 IO 模型能够看出，应用进程对内核发起 IO 系统调用后，内核会通过两个阶段来完成数据的传输：

第一阶段：等待数据。即应用进程发起 IO 系统调用后，会一直等待数据；当有数据传入服务器，会将数据放入内核空间，此时数据准备好。
第二阶段：将数据从内核空间复制到用户空间，并返回给应用程序成功标识。

前四种模型的第二阶段是相同的，都是处于阻塞状态，其主要区别在第一阶段。而异步 IO 模型则不一样，应用进程在这两个阶段是彻底不阻塞的。

IO 模型	第一阶段	第二阶段
阻塞式IO	阻塞	阻塞
非阻塞式IO	非阻塞	阻塞
IO多路程复用	阻塞（Select）	阻塞
信号驱动式IO	异步	阻塞
异步IO	异步	异步

参考资料

UNIX网络编程卷1：套接字联网API