五种IO模型与非阻塞IO
一、核心问题：基本I/O的瓶颈
文档开篇点明了所有I/O操作的本质：
- 1.等待：等待数据准备好（例如，等待网络数据包到达内核缓冲区）。
- 2.拷贝：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间（应用程序的内存）。
关键洞察 ：在实际网络环境中，"等待"所消耗的时间远远大于"拷贝"的时间 。因此，提高I/O效率的核心不在于加快拷贝速度，而在于如何更高效地"等待"。
五种I/O模型就是为了解决"如何等待"这个问题而提出的不同策略。
二、五种I/O模型详解（从低级到高级）
文档用"钓鱼"的比喻非常形象，我们来技术化地解释一下：
1. 阻塞I/O
- •工作方式 ：应用程序发起I/O调用（如
read）后，线程被挂起，一直阻塞，直到内核数据准备好并完成拷贝，函数才返回。 - •优点：编程简单。
- •缺点：一个线程只能处理一个连接，性能极差。为每个连接创建一个线程会消耗大量资源。
- •类比：张三一直盯着鱼竿，鱼不上钩就不做任何别的事。
2. 非阻塞I/O
- •工作方式 ：应用程序发起I/O调用，如果内核数据没准备好，立即返回一个错误码 ，而不是阻塞线程。程序需要不断地轮询尝试，直到数据准备好。
- •优点：线程不会阻塞，可以在等待一个连接时做别的事（比如处理其他连接）。
- •缺点：轮询会消耗大量CPU资源，因为线程在不停地空转检查。
- •类比：李四过几秒就拉一下鱼竿看看，没鱼就继续做别的事，但频繁检查很累人。
3. 信号驱动I/O
- •工作方式 ：应用程序先向内核注册一个信号处理函数，然后可以去干别的事。当内核数据准备好时，它会向应用程序发送一个信号（如
SIGIO），应用程序收到信号后再来执行I/O操作。 - •优点：避免了轮询，CPU利用率高。
- •缺点：信号处理本身比较复杂，并且在大量I/O操作时，信号可能会变得不可靠。
- •类比：王五在鱼竿上装了个铃铛，鱼上钩铃会响，他听到铃声再来收竿。
4. I/O多路复用
- •工作方式 ：这是最重要的模型 。应用程序通过调用
select,poll,epoll等函数，同时监控多个文件描述符。这个函数调用是阻塞的，但当任何一个被监控的描述符数据准备好时，函数就会返回，应用程序再遍历准备好的描述符进行I/O操作。 - •优点 ：单线程就可以高效地管理成百上千个连接，这是高性能网络服务器（如Nginx, Redis）的基石。
- •与阻塞I/O的区别：阻塞IIO是一个线程堵在一个连接上；多路复用是一个线程堵在"监控器"上，但可以同时等待多个连接。
- •类比 ：赵六一个人同时看管很多根鱼竿（
epoll），只要任何一根有鱼上钩，他就去处理那一根。
5. 异步I/O
- •工作方式 ：应用程序发起一个I/O请求后，立即返回，内核会自动完成所有工作（包括等待数据和数据拷贝）。拷贝完成后，内核再通知应用程序。
- •与信号驱动I/O的区别 ：信号驱动I/O是内核通知我们"可以开始拷贝数据了 "，拷贝操作要我们自己来做。而异步I/O是内核通知我们"数据拷贝已经完成了"。
- •类比：田七雇了一个帮手（内核），让帮手去钓鱼，钓好的鱼会直接送到家里。田七完全不用管钓鱼的过程。
三、关键概念辨析（非常重要！）
1. 同步 vs. 异步
- •关注点 ：消息通信机制。即结果是由谁主动提供的。
- •同步 ：调用者主动等待 结果。调用一个函数，在得到结果之前，调用不会返回。 •例子 ：阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O多路复用都是同步的。因为真正的I/O操作（
read/write）还是由调用者线程自己完成的。 - •异步 ：调用发出后，这个调用就直接返回了，结果由被调用者通过通知或回调函数被动送达 。 •例子：只有异步I/O是真正的异步。
2. 阻塞 vs. 非阻塞
- •关注点 ：调用者在等待结果时的状态。
- •阻塞：调用结果返回前，当前线程会被挂起，不能执行其他任务。
- •非阻塞：调用结果返回前，线程不会被挂起，可以执行其他任务。
组合关系
- •同步阻塞：阻塞I/O。
- •同步非阻塞 ：非阻塞I/O、I/O多路复用（
select本身是阻塞的，但它阻塞在多个连接上，相对于单个连接的处理线程来说，它是非阻塞的）。 - •异步非阻塞：异步I/O。
总结
核心思想是：
- 1.基本I/O模型（阻塞I/O）效率低下，因为它让宝贵的线程资源在"等待"上白白浪费。
- 2.高级I/O模型的核心目标是减少线程在I/O等待上的耗时，用更智能的方式去"等待"。
- 3.I/O多路复用（如
epoll） 是实践中最重要、最高效的模型，它能用最少的资源处理最多的并发连接。
首先，我们明确故事中的角色对应关系：
- •唐僧 = 需要被处理的数据（比如网络数据包）
- •蒸笼 = 操作系统内核（负责真正执行I/O操作的地方）
- •小妖 = 应用程序/程序员（负责发起I/O调用和处理结果）
- •蒸唐僧 = 一次I/O操作（比如从网络读取数据）
场景一：同步阻塞（最传统的方式）
故事：一个小妖把唐僧放进蒸笼，然后啥也不干，就搬个凳子坐在蒸笼前，眼睛死死盯着蒸笼。他心里想："在唐僧蒸好（调用返回）之前，我就在这儿等着，哪儿也不去。" 他一直等到蒸笼冒出蒸汽（得到结果），然后打开蒸笼取出唐僧。
技术对应：
- •同步 ：小妖主动等待结果（坐在蒸笼前等）。调用（开始蒸）没有返回，他在等待最终结果（蒸熟的唐僧）。
- •阻塞 ：在等待过程中，小妖被挂起，不能做任何其他事情（不能去巡山、不能去喝酒）。
总结 ：这就是最基本的阻塞I/O。应用程序发起一个读取请求，线程就被挂起，直到数据完全准备好才返回。效率最低。
场景二：同步非阻塞（轮询方式）
故事 ：小妖把唐僧放进蒸笼后，没有坐在那里干等。他对自己说："我去干点别的（比如去巡山），但我每隔5分钟就跑回来看一眼蒸笼好了没。" 他每次跑回来，如果发现没好（EAGAIN错误），就继续去巡山；如果发现好了（调用成功返回），就取出唐僧。
技术对应：
- •同步 ：小妖依然需要主动去查看结果（跑回来看）。结果的最终获取（取出唐僧）还是由他本人完成。
- •非阻塞 ：在"蒸唐僧"这个操作没有完成时，小妖没有被挂起，他可以自由地去干其他事情（巡山）。
总结 ：这就是非阻塞I/O 。应用程序发起读取请求，如果数据没准备好，内核立即返回一个错误码（如EWOULDBLOCK），线程可以继续执行其他任务，但需要不断地轮询（polling）检查数据是否就绪。虽然不阻塞了，但轮询消耗CPU。
场景三：异步（最高效的方式）
故事 ：小妖是一个"现代化"的妖怪。他发明了一个带闹钟的智能蒸笼。他把唐僧放进蒸笼，按下开始键，然后就直接去喝酒吃肉了，完全不管蒸笼。当唐僧蒸好的那一刻，智能蒸笼会自动发出"滴滴滴"的响声（通知 ），或者甚至自动派一个小机器人把蒸好的唐僧送到小妖面前（回调）。
技术对应：
- •异步 ：小妖不需要主动等待或查看结果 。他发起调用（按下开始键）后，调用立即返回，他可以彻底干别的事。结果的送达是由被调用者（智能蒸笼）通过通知 或回调的方式"推送"过来的。
总结 ：这就是异步I/O。应用程序发起一个读取请求后，内核会自行完成所有工作（包括等待数据和拷贝数据），完成后主动通知应用程序。应用程序在整个过程中都可以执行其他代码。
总结与对比表格
| 模式 | 通信机制（同步/异步） | 等待状态（阻塞/非阻塞） | "妖怪蒸唐僧"比喻 |
|---|---|---|---|
| 同步阻塞 | 同步：调用者主动等待结果 | 阻塞：调用者被挂起，不能干别的 | 干等式：坐在蒸笼前啥也不干，直到蒸好 |
| 同步非阻塞 | 同步：调用者主动轮询结果 | 非阻塞：调用者可以干别的 | 轮询式：边巡山边每隔5分钟跑回来看一眼 |
| 异步 | 异步：被调用者通知结果 | 非阻塞：调用者可以干别的 | 智能式：设置好闹钟后就去玩，闹钟响或直接送货上门 |
核心区别：
- •同步 vs 异步 ：关注的是结果如何被返回。是调用者主动去取（同步），还是被调用者送上门（异步）？
- •阻塞 vs 非阻塞 ：关注的是等待结果时调用者的状态。是完全不能动（阻塞），还是可以自由活动（非阻塞）？
其他高级 IO
非阻塞 IO，纪录锁，系统 V 流机制，I/O 多路转接（也叫 I/O 多路复用）,readv 和writev 函数以及存储映射 IO（mmap），这些统称为高级 IO.
非阻塞 IO
fcntl
一个文件描述符, 默认都是阻塞 IO.
函数原型如下.
C++
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );传入的 cmd 的值不同, 后面追加的参数也不相同.
fcntl 函数有 5 种功能:
• 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）.
• 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD).
• 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL).
• 获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN).
• 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW).
我们此处只是用第三种功能, 获取/设置文件状态标记, 就可以将一个文件描述符设置为非阻塞.
实现函数 SetNoBlock
基于 fcntl, 我们实现一个 SetNoBlock 函数, 将文件描述符设置为非阻塞.
非阻塞代码如下：
C++
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <fcntl.h>
//0标准输入默认就是阻塞的
void SetNonBlock(int fd)
{
int fl=fcntl(fd,F_GETFL);// 获取文件描述符当前标志
if(fl<0)
{
perror("fcntl");
return;
}
fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);//O_NONBLOCK为非阻塞
}
int main()
{
SetNonBlock(0);
char buffer[1024];
while(true)
{
//Linux中：ctrl+d:标识输入结束，read返回值是0，类似于读到文件结尾
ssize_t n=read(0,buffer,sizeof(buffer));
if(n>0)
{
buffer[n-1]=0;//将最后改为'/0'
std::cout<<buffer<<std::endl;
}
else if(n<0)
{
//1.读取出错//2.底层没有数据准备好
if(errno==EAGAIN||errno==EWOULDBLOCK)
{
std::cout<<"数据没有准备好。。"<<std::endl;
sleep(1);
continue;
}
else if(errno==EINTR)//系统中断
{
continue;
}
else
{
//真正的READ出错了
}
}
else
{
break;
}
sleep(1);
std::cout<<".:"<<n<<std::endl;//C++也有语言缓冲区
}
return 0;
}四、技术要点总结
| 概念 | 说明 | 在本程序中的体现 |
|---|---|---|
| 阻塞I/O | read会一直等待直到有数据 | 通过SetNonBlock(0)禁用 |
| 非阻塞I/O | read立即返回，通过返回值判断 | 核心逻辑在n < 0的处理 |
| 轮询 | 循环检查是否有数据可读 | while(true)+ sleep(1) |
| 错误处理 | 区分真正错误和暂时无数据 | 检查errno的值 |
五、实际应用场景
这种模式是高性能网络编程的基础：
- 单线程处理多连接：一个线程可以同时监控成百上千个网络连接
- 事件驱动架构 ：更高效的实现是使用
epoll等系统调用，而不是忙等待 - 避免线程阻塞：不需要为每个连接创建线程，节省系统资源
| 轮询 | 循环检查是否有数据可读 | while(true)+ sleep(1) |
| 错误处理 | 区分真正错误和暂时无数据 | 检查errno的值 |
五、实际应用场景
这种模式是高性能网络编程的基础：
- 单线程处理多连接：一个线程可以同时监控成百上千个网络连接
- 事件驱动架构 ：更高效的实现是使用
epoll等系统调用，而不是忙等待 - 避免线程阻塞：不需要为每个连接创建线程，节省系统资源
这个简单的demo展示了非阻塞I/O的基本原理，是理解select/poll/epoll等高级I/O多路复用技术的重要基础。