5种IO模型

后端开发中，网络请求、文件读写都离不开 IO。传统阻塞 IO 只能单线程处理一个请求，无法支撑高并发；而 IO 多路复用、异步 IO 是 Redis、Nginx、Netty 等高性能组件的核心。不懂 IO 模型，就无法理解高并发服务器的设计思想。

1：IO本质

所有IO（网络/文件）都只有两个核心步骤，这是理解IO模型的根基：

1：等待数据就绪：内核等待数据从网卡/硬盘写入内核缓冲区

2：数据拷贝：内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

IO优化的核心：尽可能减少等待时间

2：五种IO模型

用钓鱼帮你秒懂，对应专业定义 + 流程：

1. 阻塞 IO（最基础）

• 通俗：坐在河边死等鱼上钩，啥也不干，直到鱼上钩才拉杆
• 专业：内核数据没准备好，进程一直阻塞，直到数据拷贝完成才返回
• 特点：最简单、默认模式、CPU 利用率低、单线程只能处理一个 IO

2. 非阻塞 IO

• 通俗：每隔几秒看一眼鱼竿，没鱼立刻返回，去干别的，轮询检查
• 专业：数据没准备好直接返回EWOULDBLOCK，进程循环轮询
• 特点：不阻塞、CPU 浪费严重、仅特定场景用

3. 信号驱动 IO

• 通俗：鱼竿装铃铛，鱼上钩内核发信号，收到信号再去拉杆
• 专业：内核数据就绪，发送SIGIO信号通知进程，进程再发起 IO
• 特点：不用轮询、通知后仍需主动拷贝数据

4. IO 多路复用（高并发核心）（后面重点）

• 通俗：雇人看100 根鱼竿，哪个有鱼喊你，你只负责拉杆
• 专业：用select/poll/epoll同时监听多个文件描述符，任一就绪就处理
• 特点：单线程处理百万连接、网络服务器标配

5. 异步 IO（最理想）

• 通俗：雇人直接把鱼钓好送到你家，你全程不用管
• 专业：内核完成等待 + 拷贝全流程，完成后通知进程直接用数据
• 特点：全程无阻塞、实现复杂、Linux 支持有限

3：知识层级

1：什么层的知识

操作系统内核层 + 网络应用层 / 传输层

• 不属于硬件层、语言层；是OS 内核提供的 IO 调度机制
• 网络 IO 基于Socket 套接字 （传输层 TCP/UDP），是网络编程的底层基石

2：在OS/网络中扮演的角色

• 操作系统：管理进程 IO 状态、内核缓冲区、用户 / 内核空间数据拷贝、调度 IO 流程
• 网络编程 ：决定服务器并发能力，是高并发 Web 服务器 / 网关 / 中间件的核心底层

3：和语言层的关系

和编程语言无关！语言只做「封装」，不创造 IO 模型

• C++/Java/Python/Go：底层都是调用Linux 系统调用 （recvfrom/select/fcntl）
• 语言差异：只是封装了 OS 的 IO 能力（Java NIO、Python asyncio、Go net 包）
• 跨平台：Windows 用 IOCP，Linux 用 epoll，API 不同但 IO 模型思想一致

4：三种IO实战编程（C++和Linux环境）

1：阻塞IO

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
    char buf[1024]={0};
    cout<<"阻塞IO:请输入内容(不输入就一直等待):"<<endl;
    //阻塞：无输入时进程挂起
    ssize_t n = read(0,buf,sizeof(buf));
    if(n>0) cout<<"读取内容"<<buf<<endl;
    return 0;
}

2：非阻塞IO（fcntl设置）

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
using namespace std;

// 设置文件描述符为非阻塞
void setNonBlock(int fd) {
    int flag = fcntl(fd, F_GETFL);       // 获取当前属性
    fcntl(fd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK); // 添加非阻塞标记
}

int main() {
    setNonBlock(0); // 标准输入0号描述符设为非阻塞
    char buf[1024] = {0};
    cout << "非阻塞IO：轮询检查输入..." << endl;

    while(true) {
        ssize_t n = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
        if(n < 0) {
            // 无数据：返回EAGAIN/EWOULDBLOCK，继续轮询
            if(errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                cout << "暂无数据，1秒后重试..." << endl;
                sleep(1);
                continue;
            }
        }
        if(n > 0) {
            cout << "读取内容：" << buf << endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

3：IO多路复用（select实现）

//select入门
#include <iostream>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
    //1.定义监听集合
    fd_set read_set;
    while(true)
    {
        //步骤1:清空集合+加入要监听的fd(0=标准输入)
        FD_ZERO(&read_set);
        FD_SET(0, &read_set);//监听标准输入

        //步骤2:调用select函数,阻塞等待fd就绪
        //参数:最大fd+1,读集合，写集合，异常集合，超时时间(nullptr=永久等待)
        //返回值:就绪fd的数量，-1表示出错，0表示超时
        int ret=select(1,&read_set,nullptr,nullptr,nullptr);

        if(ret<0)
        {
            cerr<<"select error!"<<endl;
            break;
        }
        if(FD_ISSET(0,&read_set))//步骤3:判断哪个fd就绪了+处理数据
        {
            char buf[1024]={0};
            ssize_t n=read(0,buf,sizeof(buf)-1);
            if(n>0)//成功读取数据
            {
                buf[n]='\0';
                cout<<"read from stdin:"<<buf<<endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}