WebServer 00 重要前置知识

简介

在梳理各种事件模型时，我切身体会到基础知识掌握不牢的痛苦。因此，我打算整理一篇文章，把关键的前置知识系统记录下来，为理解后续更复杂的内容打好基础。

1. 什么是网络IO？

因为我的工作与数据缓存相关，所以提到IO我脑子里就蹦出来磁盘IO。这种深刻印象让我理解起后面的内容十分别扭，所以这里着重整理一遍网络IO加深印象。

• 网络 IO 指的是程序通过网络接口（通常是 socket）进行数据收发的过程。
• 简单说就是：程序和网络上的另一台机器交换数据。
• 在服务端和客户端通信场景中：

• • 发送数据 → 写入 socket，传输到对方
  • 接收数据 → 从 socket 读取对方发送的数据

可以理解为程序对网络数据的"读写操作"：

读取数据（Receive / Read）

• 从网络缓冲区中获取客户端或远程主机发来的数据。
• 对服务端来说，就是"接收客户端请求"。

写入数据（Send / Write）

• 将数据写入网络缓冲区，由操作系统发送到远程主机。
• 对服务端来说，就是"给客户端发送响应"。

2. IO的两个阶段：数据就绪、数据读取

这两个阶段对所有IO操作适用，这里以网络IO为例.

2.1. 阶段一：数据就绪

这一阶段由 操作系统内核 负责。

• 当客户端（如浏览器）通过网络发送数据包时，这些数据首先会被操作系统接收到，并存放到 内核的 socket 接收缓冲区 中。
• 但对应用程序（例如服务器进程）来说，这时数据还"在内核里"，还没被用户程序拿到。
• 如果应用程序此时调用 read() 去读取 socket：（以阻塞为例）

• • 若数据还没到达，read() 就会阻塞（等待数据就绪）。
  • 一直到内核检测到数据到达，标记为"可读"，这个阶段才算结束。

总结：数据就绪阶段就是 等待数据到达网络并被内核接受好。（网络数据进入socket读缓冲区，缓冲区标记为"可读"态）

牛客的老师将分为数据就绪阶段分为阻塞和非阻塞两种方式。

也就是等待客户端发送的数据经过TCP协议栈，被内核接收完成的过程。

2.1.1. 阻塞

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

上面的recv函数通过调整sockfd（文件描述符）参数，可以设置recv为"阻塞"或"非阻塞"。

默认recv为阻塞。此时调用recv，若数据还未就绪，线程就会被挂起，一致等待数据准备好再返回。

2.1.2. 非阻塞

当recv为非阻塞时，如果发现数据还没就绪，直接返回。

2.2. 阶段二：数据读写

当内核通知"数据已就绪"之后：

• 应用程序再执行 read() 系统调用；
• 操作系统将数据 从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区（即应用程序可访问的内存中）。
• 拷贝完成后，应用程序才能真正处理这批数据。

总结：数据读写极端就是 从内核向用户空间传输数据的过程。 （从socket 读缓冲区读取数据，或者把数据写入socket写缓冲区）

老师将数据读写的机制分为了同步和异步两种。关键区别在于，数据是谁来搬运的？是我们的应用程序，还是操作系统？

2.2.1. 同步IO

内核准备好数据后，必须应用程序通过自己把数据读出来。

同步 I/O： 程序自己搬数据，得等着。

2.2.2. 异步IO

应用程序发起请求后，操作系统完成所有IO操作，包括数据拷贝。当整个过程完成后，内核再通知应用程序。再这期间应用程序完全可以做别的事情。

异步 I/O： 系统帮你搬数据，搬完再通知你。

2.3. 区分阻塞/非阻塞和同步/异步

老师有一句非常粗暴的话"阻塞、非阻塞都是同步IO，只有调用了系统异步IO的api函数的时候才是异步IO"。

但是老师又讲到 "异步IO一般和非阻塞组合使用，因为和阻塞使用没有意义。如果使用阻塞，内核处理数据的时候，应用程序仍然挂起，没有起到提高效率的效果。"

"异步IO一般和非阻塞组合使用"。看到这句话我完全懵了。

非阻塞不是同步吗？因为非阻塞本质上也是我们在主动recv，从socket那里面拿数据啊？

寻问AI后才获得答案：

• 真正的"异步 I/O"是 aio_read()、io_uring 这种系统帮你全做完的。
• 但这种机制在早期 Linux 上不成熟，大部分网络服务器并不用它。

从实际工程角度来看：

• 我们通常想实现"异步处理"------线程不阻塞、一个线程能同时处理多个 socket。
• 所以我们采用：

1. 1. 把 socket 设置成 非阻塞；
   2. 用 epoll/select 等 I/O 复用 技术检测"哪些 socket 有事件"；
   3. 一旦有事件就调用相应的 读写回调函数；
   4. 没数据就立即返回去干别的。

这整套机制（Reactor 模式）虽然在系统角度上是同步 I/O ，

但在框架层面实现了异步效果------应用不会被卡住。

我们通过"非阻塞 I/O + 事件驱动模型"模拟出了"异步"的行为效果，这其实是通过非阻塞+事件回调机制实现的 "伪异步"。