五种IO模型

本文分享的是理解五种IO模型的基本概念, 重点是IO多路转接。

什么是IO

其实我们在读写数据的时候，比如使用了write、read、recv、send等等函数，本质是对数据的拷贝。即在写的时候，将数据拷贝到了TCP协议的发送缓冲区中。在读的时候，将接收到的数据先拷贝到接收缓冲区中。

那么在读写的时候，等待是离不开的环节。因此，我们可以这样理解IO：

IO = 等待 + 拷贝数据

而对于我们研究IO的时候，其实最主要最多的话题，都是在对“等待”做研究或者是等待的方式。

既然IO是等待+拷贝数据，那么高效IO的本质，就是需要减少等待在单位时间内的比重！

五种IO模型概念

我将用钓鱼作为例子，通俗地介绍五种IO模型是哪五种。

阻塞IO

有一天，张三来到鱼塘边钓鱼，张三把钓鱼的准备工作做好之后，就一直在那坐着，盯着鱼漂，啥也不去干，就一直在那盯着，直到鱼儿上钩，就拉钩成功钓到鱼。张三这种行为，换在IO中，便是阻塞IO。

阻塞IO：在内核将数据准备好之前, 系统调用会一直等待。所有的套接字, 默认都是阻塞方式。

阻塞IO是最常见的IO模型。

非阻塞IO

过一会儿，一个叫李四的人也来钓鱼了。李四跟张三的钓鱼方式不一样，李四没有一直盯着看，而是在等鱼儿上钩的期间，一会看看书，一会刷刷视频等等，然后过一会看看鱼漂有没有动静，如果没有，那么又转头去做别的事情。直到鱼儿上钩。李四这种行为，换在IO中就叫做非阻塞IO。

非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询。这对CPU来说是较大的浪费, 一般只有特定场景下才使用。

非阻塞IO: 如果内核还未将数据准备好, 系统调用仍然会直接返回, 并且返回EWOULDBLOCK错误码。

信号驱动

又过一会，一个叫王五的人也来钓鱼了，王五是一个聪明人，他将一个铃铛挂在鱼线上（假设没有其它外界影响使得铃铛响），然后在等待鱼上钩的期间，王五不会去主动看看鱼漂有没有动静，而是一直去看别的事情，直到铃铛响起，王五就知道鱼儿上钩了！王五这种行为，就是IO信号驱动。

信号驱动IO: 内核将数据准备好的时候, 使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

多路转接

再过一会，一个叫赵六的人也来钓鱼了。赵六带来了一百根鱼竿，同时用来钓鱼！等待鱼儿上钩期间，赵六跟张三的阻塞IO类似，只不过，赵六的一百根鱼竿，能够极大地提高钓鱼效率！赵六这个行为，就是IO多路转接。

IO多路转接: 虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似. 实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态。

在IO多路转接中，使用系统调用select来进行等待，使用recvfrom来进行拷贝数据。

 以上四种方法都属于同步IO。

异步IO

此时一个叫田七的人路过鱼塘，看见那么多人在钓鱼，他就很想吃鱼了，但是他不想钓，于是他喊他的助手小明去帮他钓，田七给了小明一个装鱼的桶子，并告诉小明：“你钓完鱼了就跟我说，就把桶子给我吧！”。然后小明就去钓鱼了，田七就暂时离开，即不负责钓鱼的等待操作，也不负责把鱼钓上来的操作。田七这种行为，便是异步IO。

异步IO: 由内核在数据拷贝完成时, 通知应用程序(而信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据)。

同步IO和异步IO

同步和异步关注的是消息通信机制。

所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回. 但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。

异步则是相反， 调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后， 被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

就拿上述的五种IO模型来讲，前四种，不管是谁，起码都有等待或者把鱼钓上来这两个操作的其中之一，即参与了就属于同步。而在异步IO中，不管是等待还是执行操作，都没有参与。

另外，我们需要区分这里的同步与异步，同步与互斥。

同步与异步是消息通信的，而同步与互斥是进程/线程的制约关系。因此，我们在看到同步的时候，需要区分是同步通信异步通信的同步, 还是同步与互斥的同步。