目錄

1 什么是I/O

2 同步IO模型

2.1 阻塞IO模型

2.2 非阻塞IO模型

2.3 信號驅動IO模型

2.4 IO復用模型

2.5 小結

3 異步IO模型

4 五種IO模型對比

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1 什么是I/O

IO中的阻塞、非阻塞、同步、異步概念分析詳解?
通過上面這篇文章你可以知道同步、異步、阻塞、非阻塞這些概念，并且可以了解到java中I/O編程的三種模型，阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和異步IO(AIO)。

Java中提供的IO有關的API，在文件處理的時候，其實依賴操作系統層面的IO操作實現的。比如在Linux 2.6以后，Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的，而在Windows上，AIO是通過IOCP來實現的。可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解為是Java語言對操作系統的各種IO模型的封裝。程序員在使用這些API的時候，不需要關心操作系統層面的知識，也不需要根據不同操作系統編寫不同的代碼。只需要使用Java的API就可以了。

網絡IO的本質是socket的讀取，socket在linux系統被抽象為流，IO可以理解為對流的操作。?對于一次IO訪問（以read舉例），數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區中，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間。所以說，

當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段:

• 等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)。

• 將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

對于socket流而言，

• 第一步：通常涉及等待網絡上的數據分組到達，然后被復制到內核的某個緩沖區。

• 第二步：把數據從內核緩沖區復制到應用進程緩沖區。

網絡應用需要處理的無非就是兩大類問題，網絡IO，數據計算。相對于后者，網絡IO的延遲，給應用帶來的性能瓶頸大于后者。如果要想提高IO效率，需要將等的時間降低。

可以通過釣魚的例子來理解下:
是在魚塘里面的，我們的釣魚動作的最終結束標志是魚從魚塘中被我們釣上來，放入魚簍中。
這里面的魚塘就可以映射成磁盤，中間過渡的魚鉤可以映射成內核空間，最終放魚的魚簍可以映射成用戶空間。一次完整的釣魚（IO）操作，是魚（文件）從魚塘（硬盤）中轉移（拷貝）到魚簍（用戶空間）的過程

在Linux(UNIX)操作系統中，共有五種IO模型，分別是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復用模型、信號驅動IO模型以及異步IO模型。

2 同步IO模型

2.1 阻塞IO模型

我們釣魚的時候，有一種方式比較愜意，比較輕松，那就是我們坐在魚竿面前，這個過程中我們什么也不做，雙手一直把著魚竿，就靜靜的等著魚兒咬鉤。一旦手上感受到魚的力道，就把魚釣起來放入魚簍中。然后再釣下一條魚。

映射到Linux操作系統中，這就是一種最簡單的IO模型，即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最簡單的 I/O 模型，一般表現為進程或線程等待某個條件，如果條件不滿足，則一直等下去。條件滿足，則進行下一步操作。?

應用進程通過系統調用 recvfrom 接收數據，但由于內核還未準備好數據報，應用進程就會阻塞住，直到內核準備好數據報，recvfrom 完成數據報復制工作，應用進程才能結束阻塞狀態。

這種釣魚方式相對來說比較簡單，對于釣魚的人來說，不需要什么特制的魚竿，拿一根夠長的木棍就可以悠閑的開始釣魚了（實現簡單）。缺點就是比較耗費時間，比較適合那種對魚的需求量小的情況（并發低，時效性要求低）。

BIO模型最大的問題就是當客戶端并發訪問量增加后，每個客戶端的請求服務端都需要一個對應的線程來處理，客戶端并發數:服務端線程=1:1 ，Java中的線程是比較寶貴的系統資源，線程數量快速膨脹后，系統的性能將急劇下降，隨著訪問量的繼續增大，系統很可能"崩潰"

2.2 非阻塞IO模型

我們釣魚的時候，在等待魚兒咬鉤的過程中，我們可以做點別的事情，比如玩一把王者榮耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我們要時不時的去看一下魚竿，一旦發現有魚兒上鉤了，就把魚釣上來。

映射到Linux操作系統中，這就是非阻塞的IO模型。應用進程與內核交互，目的未達到之前，不再一味的等著，而是直接返回EWOULDBLOCK錯誤。然后通過輪詢的方式，不停的去問內核數據準備有沒有準備好。如果某一次輪詢發現數據已經準備好了，那就把數據拷貝到用戶空間中。?"非阻塞就是將大的整片時間的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以進程不斷地有機會 '被' CPU光顧"
?
應用進程通過 recvfrom 調用不停的去和內核交互，直到內核準備好數據。如果沒有準備好，內核會返回error，應用進程在得到error后，過一段時間再發送recvfrom請求。在兩次發送請求的時間段，進程可以先做別的事情。

這種方式釣魚，和阻塞IO比，所使用的工具沒有什么變化，但是釣魚的時候可以做些其他事情，增加時間的利用率。

優點：能夠在輪詢的間隔時間里處理其他事情（包括提交其他任務，也就是 “后臺” 可以有多個任務在同時執行）。

缺點：任務完成的響應延遲增大了，因為每過一段時間才去輪詢一次，而數據準備可能在兩次輪詢之間的任意時間完成。這會導致整體數據吞吐量的降低。

2.3 信號驅動IO模型

我們釣魚的時候，為了避免自己一遍一遍的去查看魚竿，我們可以給魚竿安裝一個重力報警器。當有魚兒咬鉤的時候立刻報警。然后我們再收到報警后，去把魚釣起來。

映射到Linux操作系統中，這就是信號驅動IO。注冊一個信號處理函數，然后應用進程告訴內核：當數據報準備好的時候，給我發送一個信號。收到信號后，對SIGIO信號進行捕捉，并且調用信號處理函數處理數據并獲取結果。?
?
應用進程預先向內核注冊一個信號處理函數，然后用戶進程返回，并且不阻塞，當內核數據準備就緒時會發送一個信號給進程，用戶進程便在信號處理函數中開始把數據拷貝的用戶空間中。

這種方式釣魚，和前幾種相比，所使用的工具有了一些變化，需要有一些定制（實現復雜）。但是釣魚的人就可以在魚兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等著報警器響就行了。

2.4 IO復用模型

我們釣魚的時候，為了保證可以最短的時間釣到最多的魚，我們同一時間擺放多個魚竿，同時釣魚。然后哪個魚竿有魚兒咬鉤了，我們就把哪個魚竿上面的魚釣起來。

由于同步非阻塞方式需要不斷主動輪詢，輪詢占據了很大一部分過程，會消耗大量的CPU資源，而 “后臺” 可能有多個任務在同時進行，那么就想到了循環查詢多個任務的完成狀態，只要有任何一個任務完成(數據報準備號)，就去處理它。如果輪詢不是使用的進程的用戶態，而是有其他線程幫忙就更好了。那么這就是所謂的 “IO 多路復用”

生產中經常會用到的一種模型(Java的NIO就是基于IO復用模型)

多個進程的IO可以注冊到同一個管道上，這個管道會統一和內核進行交互。當管道中的某一個請求需要的數據準備好之后，進程再把對應的數據拷貝到用戶空間中。

IO多路復用使用了Linux提供的select/poll命令，進程通過將一個或多個fd傳遞給select或poll系統調用，當用戶進程調用該select，select會監聽所有注冊好的fd，如果所有被監聽的fd需要的數據都沒有準備好時，select調用進程會阻塞。當任意一個fd處于就緒狀態后，select調用就會返回，然后進程再通過recvfrom來進行數據拷貝。

select/poll是順序掃描fd是否就緒，而且支持的fd數量有限，因此它的使用受到了一些制約。
Linux還提供一個epoll系統調用，epoll使用基于事件驅動方式代替順序掃描，因此性能更高。當有fd就緒時，立即回調函數rollback。

這里的IO復用模型，并沒有向內核注冊信號處理函數，所以，他并不是非阻塞的。進程在發出select后，要等到select/epoll監聽的所有IO操作中至少有一個需要的數據準備好，才會有返回，并且也需要再次發送請求去進行文件的拷貝。

這種方式的釣魚，通過增加魚竿的方式，可以有效的提升效率。

2.5 小結

上面的阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復用模型和信號驅動IO模型都是同步的IO模型。原因是因為，無論以上那種模型，真正的數據拷貝過程，都是同步進行的。

信號驅動是內核是在數據準備好之后通知進程，然后進程在通過recvfrom操作進行數據拷貝。我們可以認為數據準備階段是異步的，但是，數據拷貝操作是同步的。所以，整個IO過程也不能認為是異步的。

而IO復用模型中，對于每一個socket，一般都設置成為non-blocking，但是，整個用戶的進程其實是一直被block的。只不過進程是被select這個函數block，而不是被socket IO給block。所以IO多路復用是阻塞在select，epoll這樣的系統調用之上，而沒有阻塞在真正的I/O系統調用如recvfrom之上。

我們把釣魚過程，可以拆分為兩個步驟：1、魚咬鉤（數據準備）。2、把魚釣起來放進魚簍里（數據拷貝）。無論以上提到的哪種釣魚方式，在第二步，都是需要人主動去做的，并不是魚竿自己完成的。所以，這個釣魚過程其實還是同步進行的。

3 異步IO模型

我們釣魚的時候，采用一種高科技釣魚竿，即全自動釣魚竿。可以自動感應魚上鉤，自動收竿，更厲害的可以自動把魚放進魚簍里。然后，通知我們魚已經釣到了，他就繼續去釣下一條魚去了。

映射到Linux操作系統中，這就是異步IO模型。應用進程把IO請求傳給內核后，完全由內核去操作文件拷貝。內核完成相關操作后，會發信號告訴應用進程本次IO已經完成。?

用戶進程發起aio_read操作之后，給內核傳遞描述符fd、緩沖區指針、緩沖區大小等，告訴內核當整個操作完成時，如何通知進程，然后就立刻去做其他事情了。當內核收到aio_read后，會立刻返回，然后內核開始等待數據準備，數據準備好以后，直接把數據拷貝到用戶控件，然后再通知進程本次IO已經完成。

這種方式的釣魚，無疑是最省事兒的。啥都不需要管，只需要交給魚竿就可以了。

4 五種IO模型對比

參考:微信公眾號 漫畫編程

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一文了解Linux 网络 I/O 模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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