linux下的五种IO模型

linux的五种IO模型，分别是：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。其中阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO都属于同步IO。

同步IO和异步IO

同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。（应用程序主动向内核查询是否有可用数据，如果有，则再次阻塞，自己调用函数将数据从内核copy到用户空间）

异步IO：不导致请求进程阻塞。（应用程序向内核发起读数据请求需要：（1）告诉内核数据存放位置（2）注册回调函数，当内核完成数据copy后调用回调通知应用程序取数据。）

首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作。

同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞。
- 如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO。
- 如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。
阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞。
- 如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

阻塞IO , 给女神发一条短信, 说我来找你了, 然后就默默的一直等着女神下楼, 这个期间除了等待你不会做其他事情, 属于备胎做法.
非阻塞IO , 给女神发短信, 如果不回, 接着再发, 一直发到女神下楼, 这个期间你除了发短信等待不会做其他事情, 属于专一做法.
IO多路复用, 是找一个宿管大妈来帮你监视下楼的女生, 这个期间你可以些其他的事情. 例如可以顺便看看其他妹子,玩玩王者荣耀, 上个厕所等等. IO复用又包括 select, poll, epoll 模式. 那么它们的区别是什么?

1） **select大妈** 每一个女生下楼, select大妈都不知道这个是不是你的女神, 她需要一个一个询问, 并且select大妈能力还有限, 最多一次帮你监视1024个妹子

2） **poll大妈**不限制盯着女生的数量, 只要是经过宿舍楼门口的女生, 都会帮你去问是不是你女神

3） **epoll大妈**不限制盯着女生的数量, 并且也不需要一个一个去问. 那么如何做呢? epoll大妈会为每个进宿舍楼的女生脸上贴上一个大字条,上面写上女生自己的名字, 只要女生下楼了, epoll大妈就知道这个是不是你女神了, 然后大妈再通知你。

上面这些同步IO有一个共同点就是, 当女神走出宿舍门口的时候, 你已经站在宿舍门口等着女神的, 此时你属于阻塞状态

接下来是**异步IO**的情况：

你告诉女神我来了, 然后你就去打游戏了, 一直到女神下楼了, 发现找不见你了, 女神再给你打电话通知你, 说我下楼了, 你在哪呢? 这时候你才来到宿舍门口。此时属于逆袭做法

阻塞IO模型

最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。

C++ 复制代码

printf("Calling recv(). \n");
ret =  recv(socket, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0); 
printf("Had called recv(). \n")

特点：

进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作；
实现难度低、开发应用较容易；
适用并发量小的网络应用开发；

不适用并发量大的应用：因为一个请求IO会阻塞进程，所以，得为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

非阻塞IO模型

对于上面的阻塞IO模型来说，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

1、典型应用：socket是非阻塞的方式（设置为NONBLOCK）

2、特点：

进程轮询（重复）调用，消耗CPU的资源；
实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难；
适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发；

IO多路复用模型

I/O多路复用是操作系统级别的，属于linux操作系统的五种I/O模型中的一种，是操作系统级别同步非阻塞 的。操作系统级别的异步I/O才是真正异步非阻塞的。

多个的进程的IO可以注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程调用该select， select会监听所有注册进来的IO；

如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据，select调用进程会被阻塞；而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时，select调用就会返回；

而后select调用进程可以自己或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取IO，读取内核中准备好的数据。

可以看到，多个进程注册IO后，只有另一个select调用进程被阻塞。

1、典型应用：select、poll、epoll三种方案，nginx都可以选择使用这三个方案;Java NIO;

2、特点：

专一进程解决多个进程IO的阻塞问题，性能好；Reactor模式;
实现、开发应用难度较大；
适用高并发服务应用开发：一个进程（线程）响应多个请求；

3、select、poll、epoll

Linux中IO复用的实现方式主要有select、poll和epoll：
Select：注册IO、阻塞扫描，监听的IO最大连接数不能多于FD_SIZE；
Poll：原理和Select相似，没有数量限制，但IO数量大扫描线性性能下降；
Epoll ：事件驱动不阻塞，mmap实现内核与用户空间的消息传递，数量很大，Linux2.6后内核支持；

所谓I/O多路复用机制，就是说通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。这种机制的使用需要额外的功能来配合： select、poll、epoll。

select、poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
select时间复杂度O(n)，它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。
poll（翻译：轮询）时间复杂度O(n)，poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的.
epoll时间复杂度O(1)，epoll可以理解为event poll ，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）。

信号驱动IO模型

当进程发起一个IO操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

特点：回调机制，实现、开发应用难度大。

异步IO模型

前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

当进程发起一个IO操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回果结；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据。

1、典型应用：JAVA7 AIO、高性能服务器应用

2、特点：

不阻塞，数据一步到位；Proactor模式；
需要操作系统的底层支持，LINUX 2.5 版本内核首现，2.6 版本产品的内核标准特性；
实现、开发应用难度大；
非常适合高性能高并发应用。

IO模型比较

阻塞IO调用和非阻塞IO调用、阻塞IO模型和非阻塞IO模型

注意这里的阻塞IO调用和非阻塞IO调用不是指阻塞IO模型和非阻塞IO模型：

阻塞IO调用：在用户进程（线程）中调用执行的时候，进程会等待该IO操作，而使得其他操作无法执行。
非阻塞IO调用：在用户进程中调用执行的时候，无论成功与否，该IO操作会立即返回，之后进程可以进行其他操作（当然如果是读取到数据，一般就接着进行数据处理）。

这个直接理解就好，进程（线程）IO调用会不会阻塞进程自己。所以这里两个概念是相对调用进程本身状态来讲的。

从上面对比图片来说，阻塞IO模型是一个阻塞IO调用，而非阻塞IO模型是多个非阻塞IO调用+一个阻塞IO调用，因为多个IO检查会立即返回错误，不会阻塞进程。

而上面也说过了，非阻塞IO模型对于阻塞IO模型来说区别就是，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回一个错误，以使得进程不被阻塞。

同步IO和异步IO

同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
异步IO：不导致请求进程阻塞。

上面两个定义是《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》给出的。这不是很好理解，我们来扩展一下，先说说同步和异步，同步和异步关注的是双方的消息通信机制：

同步：双方的动作是经过双方协调的，步调一致的。
异步：双方并不需要协调，都可以随意进行各自的操作。

这里我们的双方是指，用户进程和IO设备；明确同步和异步之后，我们在上面网络输入操作例子的基础上，进行扩展定义：

同步IO：用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，双方的数据要经过内核缓冲区同步，完全准备好后，再复制返回到用户进程。而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
异步IO：用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，并不需要同步，内核直接复制到进程，整个过程不导致请求进程阻塞。

所以，阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型者为同步IO模型，只有异步IO模型是异步IO。