Linux 五种IO模型

1.IO模型引入

我们之前说的IO，说白了就是输入和输出，可以理解成要么读数据，要么写数据。以前的认知中IO就是文件读写、网络收发消息，其实本质都一样：把数据从一个地方搬到另一个地方。比如读文件，是从硬盘读到程序里；写网络，是把程序里的数据发到网卡上。对应的系统调用就是 read 和 write，读用read，写用write。

以前我们简单理解成，read 就是把数据从操作系统拷贝到用户层，write 是把用户层的数据拷贝到操作系统。但这只说对了一半，真正的IO没这么简单。

就拿网络来说，你在程序里调用read去读数据，其实是想把操作系统里TCP接收缓冲区的数据，拷贝到你自己程序的缓冲区里。可万一接收缓冲区里啥数据都没有呢？那read就不会立刻返回，程序就卡在那儿不动，这就叫阻塞。它会一直等，等到缓冲区里有数据来了，才会开始拷贝，然后返回。所以read不只是拷贝，它还要先等数据就绪。

再看write，你想发数据，就是把程序里的数据拷贝到操作系统的TCP发送缓冲区。可如果发送缓冲区已经满了，没地方放了，那write也会阻塞，一直等缓冲区腾出空间，能放下数据了，才会完成拷贝。至于操作系统什么时候真正把数据发出去、发多少、出错怎么处理，那都是操作系统的事，程序管不着。

所以你看，不管是read还是write，都分成两步：第一步是等条件满足，要么等有数据可读，要么等有空间可写；第二步才是真正拷贝数据。所以IO的本质，就是等待加拷贝。

那什么时候高效？很简单，拷贝本身非常快，并且拷贝是操作系统的事情，我们也管不着，真正慢的是等待。所以高效IO，就是尽量少等待，把等待的时间压到最短。

以前单线程一个一个等IO，等完这个等那个，时间全浪费在等待上了。后来用多线程，或者IO多路复用，比如select、poll、epoll这些，能同时盯着很多个文件描述符，一个在等的时候，别的可能已经就绪可以拷贝了。这样等待的时间就重叠起来了，单位时间里能拷贝的数据就变多，IO效率自然就高了。

2.五种IO模型

IO一共就五种模型，所有读写数据的方式，都跑不出这五种。为了好懂，咱们就用钓鱼来比喻，IO = 等待 + 拷贝，对应到钓鱼就是：钓鱼 = 等鱼咬钩 + 拉杆把鱼钓上来。

第一种，阻塞式IO。就像新手张三去钓鱼，抛竿之后，眼睛死死盯着鱼漂，什么都不干，电话来了也不接，就干等着。只要鱼没咬钩，他就一直卡在那儿不动，直到鱼漂动了，他才拉杆。这就是阻塞IO：调用read或write之后，条件不满足就一直阻塞，程序啥也干不了，死等到底，等条件满足了再拷贝数据。

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.

第二种，非阻塞式IO。好比钓友李四，他也钓鱼，但不一直死盯。抛竿之后，他就去看书，过一会儿抬头看一眼鱼漂，没动静就继续看书，再过一会儿再看一眼，反复来回问。这就是非阻塞轮询：调用read/write，没数据或没空间就立刻返回，不卡住你，你可以去干别的，过一会儿再来问，直到数据准备好了再拷贝。

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.

第三种，信号驱动式IO。像老钓友王五，他给鱼漂装了个铃铛，鱼一咬钩铃铛就响。他就安心看书，铃不响就一直看，铃一响他就知道可以拉杆了。这就是信号驱动：程序先告诉操作系统，数据好了给我发个信号，我先干别的，收到信号我再去读、去拷贝。

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.

第四种，IO多路复用。也就是多路转接，好比赵六，他特别猛，直接摆100根鱼竿，然后挨个巡视。一根竿等一条鱼慢，100根一起等，只要任意一根有鱼，他就去拉。这样单位时间里，等待的时间被大大压缩，效率高很多。对应到系统里，就是select、poll、epoll，一个线程同时盯着一大堆文件描述符，哪个就绪就处理哪个，不用一个个死等。

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.

第五种，异步IO。最舒服的，像大老板田七，他只想吃鱼，不想钓鱼。直接让司机小王去岸边钓，自己回去开公司会议。小王钓完了，再打电话通知他：鱼好了，老板记得来拿。田七自始至终，没等、没看、没拉杆，只发起了钓鱼这件事，最后拿结果就行。这就是异步IO：用户进程只发个请求，剩下的等待、拷贝全由操作系统做完，完成后通知你，你全程不参与IO过程。

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).

这里面有个很重要的区分：同步IO和异步IO。

同步IO，就是前面四种：阻塞、非阻塞、信号驱动、多路复用。它们的共同点是，你自己都参与了IO过程，都在等，只是等的方式不一样。张三死等，李四轮着等，王五等信号，赵六一起等，但都在等，等完之后还要自己去拷贝数据。

异步IO，就是第五种，你完全不参与IO，只发命令，等操作系统把等待和拷贝全都做完，你直接拿结果。

再说说阻塞和非阻塞的区别，很简单：就是等待的方式不一样。阻塞是条件不满足就卡死不动；非阻塞是条件不满足就立刻返回，你去干别的，过会儿再来问，反复轮询。

在这五种里，意义上最常用、最重要、效率最高的，是IO多路复用。异步IO听起来很爽，但实际用起来复杂，代码难写难维护；而多路复用能同时等一大堆IO，把等待时间重叠，大大减少等待占比。

3.非阻塞IO的接口和实现

我们平时要做非阻塞IO，最常用、最标准的办法，就是用 fcntl 这个函数，把文件描述符设置成非阻塞模式。一旦设置完，你再用 read 去读数据，就变成非阻塞IO了。文件描述符默认都是阻塞的，你直接写 while 循环 + read，它就会一直卡住等数据。

先看阻塞版本的 read 是怎么从标准输入读数据的。

我们先建一个用户层的缓冲区 buffer，然后写一个死循环。

然后调用 read，从 0 号文件描述符也就是标准输入读数据。默认是阻塞IO，参数就是文件描述符0、缓冲区、缓冲区大小减1，留一个字节放字符串结束符 \0，防止溢出。

read 会有三种返回情况：

第一种，返回值大于0，说明读到数据了，我们在数据末尾加个 \0，把它当正常字符串打印出来就行。

第二种，返回值等于0，表示读到文件结尾，在网络里就是对端关闭了连接，这时候直接退出循环。

第三种，返回值小于0，就是读取出错了，比如文件描述符非法、资源出错之类，用 cerr 打印错误信息，然后退出循环。

这就是最基础的阻塞式 read。

int main()
{
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        // printf("Please Enter# ");
        // fflush(stdout);
        ssize_t n=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n-1]=0;
            cout<<"echo: "<<buffer<<endl;
        }
        else if(n==0)
        {
            cout<<"read done"<<endl;
            break;
        }
        else
        {
            cerr << "read error" << endl;
            break;
        }
    }
}

运行结果：

每次输入一条指令后，会阻塞住，等待用户输入，用户输入0号文件就有数据，读取用户输入的数据。

第一个参数传文件描述符，比如标准输入就是 0，socket 就是你创建的 fd。

第二个参数是命令，常用的就是两个

一个是 F_GETFL，获取文件状态标记；

一个是 F_SETFL，设置文件状态标记。

先讲 F_GETFL，表示把这个文件描述符当前的所有属性拿出来。一个文件描述符打开时，会带一堆属性，比如只读、只写、同步方式、阻塞方式等等。这些属性都是用位图存的，每一个比特位代表一种状态。

调用 fcntl(fd, F_GETFL) ，系统就会把这些状态打包，以返回值的形式给你，我们用一个变量 fl 存起来。

拿到 fl 之后，我们才能改。因为不能直接覆盖原来的属性，只能在原来的基础上添加一个非阻塞的属性。

所以第二步就是 F_SETFL，用来设置状态。我们要加的非阻塞状态，宏名叫 O_NONBLOCK。

因为是位图，所以只要用 按位或 |，把 O_NONBLOCK 加到原非阻塞IO，代码逻辑几乎一样，只是在最前面多一步：用 fcntl 把文件描述符设置成 O_NONBLOCK。

设置完之后，read 就不会卡住了：没数据的时候直接返回 -1，错误码是 EWOULDBLOCK，表示现在没数据，你可以先去干别的，过一会儿再来读，我们让进程睡眠一秒来代替做别的事情。

这就是非阻塞轮询的核心：不阻塞、不卡死，没数据立刻返回，有数据再处理。

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
using namespace std;
void SetNoblock(int fd)
{
    int fl=fcntl(fd,F_GETFL);
    if(fl<0)
    {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd,F_SETFL,fl | O_NONBLOCK);
    cout<<" set "<<fd<<" nonblack done"<<endl;
}
int main()
{
    char buffer[1024];
    SetNoblock(0);
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            buffer[n-1]=0;
            cout<<"echo: "<<buffer<<endl;
        }
        else if(n==0)
        {
            cout<<"read done"<<endl;
            break;
        }
        else
        {
            if(errno==EWOULDBLOCK)
            {
                cout<<" 0 fd data not ready,try again"<<endl;
                //do other things
                sleep(1);
            }
            else
            {
                cerr<<"ready errno,n= "<<n<<"errno code: "<<errno<<" ,errno str"<<strerror(errno)<<endl;
            }
        }
    }
}

运行结果：

0号（显示器文件）文件没有数据的时候，就sleep一秒，然后再过来检测有没有数据，有数据就打印出来。

阻塞IO：没数据就死等，程序卡住不动。

非阻塞IO：先用 fcntl 设置模式，没数据直接返回，程序可以继续做其他事，反复轮询即可。