五種IO模型：阻塞/非阻塞/複用/信号驅動/異步IO模型

• 1. IO基本概念
• • 1.1 IO概念
  • 1.2 IO的兩個階段
  • • 1.2.1 IO的兩個階段-例子說明
  • 1.2 IO種類
• 2. 五種IO模型
• • 2.1 阻塞IO模型
  • • 2.1.1 舉例子說明：阻塞IO模型
    • 2.1.2 阻塞IO模型
    • 2.1.3 典型應用和特點：
  • 2.2 非阻塞IO模型
  • • 2.2.1 舉例子說明：非阻塞IO模型
    • 2.2.2 非阻塞IO模型
    • 2.2.3 典型應用和特點：
  • 2.3 IO複用模型
  • • 2.3.1 舉例子說明：IO複用模型
    • 2.3.2 IO複用模型
    • 2.3.3 典型應用和特點：
  • 2.4 信号驅動的IO模型
  • • 2.4.1 舉例子說明：信号驅動的IO模型
    • 2.4.2 信号驅動的IO模型
    • 2.4.3 典型應用和特點：
  • 2.5 異步IO模型
  • • 2.5.1 舉例子說明：異步IO模型
    • 2.5.2 異步IO模型
    • 2.5.3 典型應用和特點：
• 3. 同步IO和異步IO
• • 3.1 同步IO：導緻請求程序阻塞，直到I/O操作完成。
  • 3.2 異步IO：不導緻請求程序阻塞。
• 4. 模式精細講解： MSG_DONTWAIT 、 MSG_WAITALL
• 參考：

1. IO基本概念

1.1 IO概念

IO (Input/Output，輸入/輸出)即資料的讀取（接收）或寫入（發送）操作

1.2 IO的兩個階段

LINUX中程序無法直接操作I/O裝置(硬碟，列印機，顯示器等)，其必須通過系統調用請求kernel來協助完成I/O動作；核心會為每個I/O裝置維護一個緩沖區。

是以，通常使用者程序中的一個完整IO分為兩階段：使用者程序空間<–>核心空間、核心空間<–>裝置空間（磁盤、網絡等）。

1.2.1 IO的兩個階段-例子說明

1. 核心會為每個I/O裝置維護一個緩沖區。

2. 對于一個輸入操作來說，程序IO系統調用後，核心會先看緩沖區中有沒有相應的緩存資料，沒有的話再到裝置中讀取，

   因為裝置IO一般速度較慢，需要等待；核心緩沖區有資料則直接複制到程序空間。

3. 是以，對于一個網絡輸入操作通常包括兩個不同階段：

（1）等待網絡資料到達網卡→讀取到核心緩沖區，資料準備好；

（2）從核心緩沖區複制資料到程序空間。

1.2 IO種類

IO有記憶體IO、網絡IO和磁盤IO三種，通常我們說的IO指的是後兩者。

2. 五種IO模型

五種IO模型包括：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型、信号驅動的IO模型、異步IO模型。其中，前四個被稱為同步IO。

2.1 阻塞IO模型

2.1.1 舉例子說明：阻塞IO模型

假設你正在和美女微信聊天，消息發過去後，等待她回複。在等的時候不做其他的事情，十分專心。直到她回複了，你才安心做其他事情。

2.1.2 阻塞IO模型

程序發起IO系統調用後，程序被阻塞，轉到核心空間處理，整個IO處理完畢後傳回程序。操作成功則程序擷取到資料。

2.1.3 典型應用和特點：

1. 阻塞socket

2. 特點：

   程序阻塞挂起不消耗CPU資源，及時響應每個操作；

   實作難度低、開發應用較容易；

   适用并發量小的網絡應用開發；

3. 缺點：

   不适用并發量大的應用：因為一個請求IO會阻塞程序，是以，得為每請求配置設定一個處理程序（線程）以及時響應，系統開銷大。

2.2 非阻塞IO模型

2.2.1 舉例子說明：非阻塞IO模型

假設你正在和美女微信聊天，消息發過去後，等待她回複。在等的時候你可以做其他事情，去燒水，洗衣服等。

你做其他事情的時候，每個一會就看看手機，看她是否發消息過來了。

你每次看手機都是一次輪詢的過程。

2.2.2 非阻塞IO模型

程序發起IO系統調用後，如果核心緩沖區沒有資料，需要到IO裝置中讀取，程序傳回一個錯誤而不會被阻塞；程序發起IO系統調用後，如果核心緩沖區有資料，核心就會把資料傳回程序。

2.2.3 典型應用和特點：

1. 典型應用：socket是非阻塞的方式（設定為NONBLOCK）

2. 特點：

   程序輪詢（重複）調用，消耗CPU的資源；

   實作難度低、開發應用相對阻塞IO模式較難；

   适用并發量較小、且不需要及時響應的網絡應用開發；

2.3 IO複用模型

2.3.1 舉例子說明：IO複用模型

假設你正在和很多，很多美女微信聊天（雖然不太好），消息發過去後，等待她，no 是她們回複。

你一次能看很多美女聊天框是否有哪個消息來了。如美女n消息來了，它會通過信号（頂頂頂）通知你。

增加了效率，減少了等待的時間。

2.3.2 IO複用模型

多個的程序的IO可以注冊到一個複用器（select/poll/epoll）上，然後用一個程序調用該select/poll/epoll， select/poll/epoll會監聽所有注冊進來的IO；

如果select沒有監聽的IO在核心緩沖區都沒有可讀資料，select調用程序會被阻塞；而當任一IO在核心緩沖區中有可資料時，select調用就會傳回；

而後select調用程序可以自己或通知另外的程序（注冊程序）來再次發起讀取IO，讀取核心中準備好的資料。

可以看到，多個程序注冊IO後，隻有另一個select調用程序被阻塞。

2.3.3 典型應用和特點：

1. 典型應用：select、poll、epoll三種方案

2. 特點：

   專一程序解決多個程序IO的阻塞問題，性能好

   實作、開發應用難度較大；

   适用高并發服務應用開發：一個程序（線程）響應多個請求

2.4 信号驅動的IO模型

2.4.1 舉例子說明：信号驅動的IO模型

假設你正在和美女微信聊天，消息發過去後，等待她回複。這時你不用傻等，把手機調整成響鈴，并且聲音最大就可以了。

微信消息來了，它會通過信号（頂頂頂）通知你，你就知道了。

2.4.2 信号驅動的IO模型

當程序發起一個IO操作，會向核心注冊一個信号處理函數，然後程序傳回不阻塞；

當核心資料就緒時會發送一個信号給程序，程序便在信号處理函數中調用IO讀取資料。

2.4.3 典型應用和特點：

特點：回調機制，實作、開發應用難度大；

2.5 異步IO模型

2.5.1 舉例子說明：異步IO模型

假設你正在和很多，很多美女微信聊天（雖然不太好），但是很多人聊天太耽誤事，你就雇傭了一個小白替你跟美女們聊天。

有美女同意一起約會就通知你，你強勢登場……balabala

2.5.2 異步IO模型

當程序發起一個IO操作，核心一方面去取資料報内容傳回，另一方面将程式控制權還給應用程序，應用程序繼續處理其他事情，是一種非阻塞的狀态。

當核心中有資料報就緒時，由核心将資料報拷貝到應用程式中，讓其處理。

2.5.3 典型應用和特點：

很少有Linux系統支援

1. 典型應用：JAVA7 AIO、高性能伺服器應用

2. 特點：

   不阻塞，資料一步到位

   需要作業系統的底層支援，LINUX 2.5 版本核心首現，2.6 版本産品的核心标準特性；

   實作、開發應用難度大；

   非常适合高性能高并發應用；

3. 同步IO和異步IO

3.1 同步IO：導緻請求程序阻塞，直到I/O操作完成。

使用者程序發出IO調用，去擷取IO裝置資料，雙方的資料要經過核心緩沖區同步，完全準備好後，再複制傳回到使用者程序。

而複制傳回到使用者程序會導緻請求程序阻塞，直到I/O操作完成。

3.2 異步IO：不導緻請求程序阻塞。

使用者程序發出IO調用，去擷取IO裝置資料，并不需要同步，核心直接複制到程序，整個過程不導緻請求程序阻塞。

4. 模式精細講解： MSG_DONTWAIT 、 MSG_WAITALL

參考：https://www.cnblogs.com/nufangrensheng/archive/2013/03/10/2952658.html

參考：

https://blog.csdn.net/tjiyu/article/details/52959418

https://blog.csdn.net/ZWE7616175/article/details/80591587