「網絡模型」堵塞IO（BIO）與非堵塞IO（NIO）

文章目錄

• 「網絡模型」堵塞IO（BIO）與非堵塞IO（NIO）
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  • 一、概述
  • 二、堵塞IO（BIO）
  • 三、堵塞IO（NIO）
  • 參考

一、概述

在《UNIX網絡程式設計》一書中，總結歸納了5種IO模型：

• 阻塞IO（Blocking IO） (Linux下的I/O操作預設是阻塞I/O，即open和socket建立的I/O都是阻塞I/O)
• 非阻塞IO（Nonblocking IO）(可以通過fcntl或者open時使用O_NONBLOCK參數，将fd設定為非阻塞的I/O)
• IO多路複用（IO Multiplexing） (I/O多路複用，通常需要非阻塞I/O配合使用)
• 信号驅動IO（Signal Driven IO） (SIGIO)
• 異步IO（Asynchronous IO）

• 阻塞IO

  和

  非阻塞IO

這兩個概念是

程式級别

的。主要描述的是程式請求作業系統IO操作後，如果IO資源沒有準備好，那麼程式該如何處理的問題: 前者等待；後者繼續執行(并且使用線程一直輪詢，直到有IO資源準備好了)

• 同步IO

  和

  非同步IO

這兩個概念是

作業系統級别

的。主要描述的是作業系統在收到程式請求IO操作後，如果IO資源沒有準備好，該如何響應程式的問題: 前者不響應，直到IO資源準備好以後；後者傳回一個标記(好讓程式和自己知道以後的資料往哪裡通知)，當IO資源準備好以後，再用事件機制傳回給程式。

二、堵塞IO（BIO）

BIO就是: blocking IO。最容易了解、最容易實作的IO工作方式，應用程式向作業系統請求網絡IO操作，這時應用程式會一直等待；另一方面，作業系統收到請求後，也會等待，直到網絡上有資料傳到監聽端口；作業系統在收集資料後，會把資料發送給應用程式；最後應用程式受到資料，并解除等待狀态。

應用程式想要去讀取資料，他是無法直接去讀取磁盤資料的，他需要先到核心裡邊去等待核心操作硬體拿到資料，這個過程就是1，是需要等待的，等到核心從磁盤上把資料加載出來之後，再把這個資料寫給使用者的緩存區，這個過程是2，如果是阻塞IO，那麼整個過程中，使用者從發起讀請求開始，一直到讀取到資料，都是一個阻塞狀态。

具體流程如下圖：

使用者去讀取資料時，會去先發起recvform一個指令，去嘗試從核心上加載資料，如果核心沒有資料，那麼使用者就會等待，此時核心會去從硬體上讀取資料，核心讀取資料之後，會把資料拷貝到使用者态，并且傳回ok，整個過程，都是阻塞等待的，這就是阻塞IO

總結如下：

顧名思義，阻塞IO就是兩個階段都必須阻塞等待：

階段一：

• 使用者程序嘗試讀取資料（比如網卡資料）
• 此時資料尚未到達，核心需要等待資料
• 此時使用者程序也處于阻塞狀态

階段二：

• 資料到達并拷貝到核心緩沖區，代表已就緒
• 将核心資料拷貝到使用者緩沖區
• 拷貝過程中，使用者程序依然阻塞等待
• 拷貝完成，使用者程序解除阻塞，處理資料

可以看到，阻塞IO模型中，使用者程序在兩個階段都是阻塞狀态。

三、堵塞IO（NIO）

顧名思義，非阻塞IO的recvfrom操作會立即傳回結果而不是阻塞使用者程序。

階段一：

• 使用者程序嘗試讀取資料（比如網卡資料）
• 此時資料尚未到達，核心需要等待資料
• 傳回異常給使用者程序
• 使用者程序拿到error後，再次嘗試讀取
• 循環往複，直到資料就緒

階段二：

• 将核心資料拷貝到使用者緩沖區
• 拷貝過程中，使用者程序依然阻塞等待
• 拷貝完成，使用者程序解除阻塞，處理資料

可以看到，非阻塞IO模型中，使用者程序在第一個階段是非阻塞，第二個階段是阻塞狀态。雖然是非阻塞，但性能并沒有得到提高。而且忙等機制會導緻CPU空轉，CPU使用率暴增。

參考

黑馬程式員