系列讲解网络 I/O ， 从多进程多线程到异步 I/O 和多路复用

前言

网络 I/O 基本上是后端开发中不可避免的话题，只要涉及到网络基本上都会有这方面问题的处理。所以目前打算从整个 I/O 的实现阶段，从最开始多线程多进程的网络 I/O 模型， 到异步 I/O 和多路复用，当然还有线程池和 reactor 反应堆模型都进行，争取把网络 I/O 的大概一个框架讲清楚。当然本人也是为了将这方面的知识点捋清楚方便后来的面试，当然过程中肯定有详有略。但是争取讲清楚。

首先在说之前，我们需要明确的定义，我们通常说的 I/O 一般分为两个方面，一个是客户端的 I/O, 一个是服务端的 I/O ，后端更多打交道的是服务端的 I/O ，当然如果是做客户端软件也需要考虑客户端 I/O，当然客户端 I/O 模型总体来说较为简单，因为他面临的并发量一般来说是远远小于服务端的。

我们的应用程序 I/O 进行一个操作一般会经历这样的过程，应用端发起请求发起系统调用，进入内核，内核准备数据，数据到了之后将数据拷贝到应用，应用对数据进行处理。

I/O 的分类

目前 I/O 大致可以分为以下五种，阻塞 I/O， 非阻塞 I/O ，多路复用 I/O， 信号驱动 I/O， 异步 I/O。

当然前四个都从从处理流程上都可以归为同步 I/O。

阻塞 I/O

阻塞 I/O 比较简单，就是应用发起系统调用后，有数据就将数据返回，没有数据就等着，有数据后再返回。

阻塞 I/O

我们在写一个服务器是的是一般是 socket() bind() listen() accept() recv() send()，其中accpet, send recv 都是阻塞 I/O。

上述一个监听线程处理所有请求，自然在速度会偏慢，而我们能想到最简单的改进方法，就是使用多进程或者多线程，一个程序负责监听和接受，但是每次连接后创建一个新的线程或者进程负责后续的对接。就好像一个负责人负责牵线，得到前期沟通的差不多了然后让另一个人负责后续的工作。

为什么主线程或者主进程可以接受多个请求，跟 TCP 三次握手不一样，这实际跟 accept 有关

int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

这个函数是系统的一个 api 接口函数，他实际工作和我们自己看到代码逻辑其实不太一样，系统在 listen 接受到请求后会把数据添加到一个请求队列中，然后 accept 从请求队列中取出来请求，所以可以接收多个请求。

而多进程模型下通常会使用连接池和线程池，当然这只是减少了连接创建和销毁以及进程创建和销毁开销，本质上没有跳出多进程这个模型。

非阻塞 I/O

非阻塞 I/O 就是每次请求时候根据当前有没有数据直接返回一个状态，有就是有，没有就是没有，可以看到其中就是需要一个线程循环请求，直到有结果为止。

非阻塞 I/O

通过上述图片就会发现每次系统调用都会返回目前数据状态，只有数据同步之后然后就会阻塞 I/O 拷贝数据。

多路复用

多路复用也就是经常说的 select poll epoll ，他的想法较为简单，既然有很多连接，那我一个线程专门去管理很多这样的 I/O ，并且其中那个有事情发生后，我可以立刻进行响应，所以这个也叫事件驱动 I/O。

select I/O 多路复用

简单来说只阻塞 select 一个进程，但是造福了所有其他 socket 。select 将所有的 socket 加入 select ，等到 select 中某个 socket 就绪之后，然后通知进程，然后进行数据读取。

epoll 本质上都是一样的，只不过 socket 都存储在红黑树中，而且会对就绪的数据存储在链表中，方便读取。

异步 I/O

异步 I/O 是数据将发起系统调用后立刻去做其他事情，等到数据就绪后，内核发送一个 singnal 给用户态直接将数据返回到应用程序，用来数据后续作用。

异步 I/O

从上边可以直到异步 I/O 不会阻塞线程，而其他线程，通过系统调用读取数据过程中都会阻塞 I/O。

信号驱动 I/O

异步 I/O 首先会注册一个信号函数，然后数据就绪后通知进行进行数据读取。

信号驱动 I/O

至此，五种 I/O 都已经介绍完毕，那么明天上代码。