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(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型

2.4 IO復(fù)用模型

2.5 小結(jié)

3 異步IO模型

4 五種IO模型對(duì)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(guò)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j(luò)ava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(guān)的API，在文件處理的時(shí)候，其實(shí)依賴(lài)操作系統(tǒng)層面的IO操作實(shí)現(xiàn)的。比如在Linux 2.6以后，Java中NIO和AIO都是通過(guò)epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而在Windows上，AIO是通過(guò)IOCP來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢园袹ava中的BIO、NIO和AIO理解為是Java語(yǔ)言對(duì)操作系統(tǒng)的各種IO模型的封裝。程序員在使用這些API的時(shí)候，不需要關(guān)心操作系統(tǒng)層面的知識(shí)，也不需要根據(jù)不同操作系統(tǒng)編寫(xiě)不同的代碼。只需要使用Java的API就可以了。

網(wǎng)絡(luò)IO的本質(zhì)是socket的讀取，socket在linux系統(tǒng)被抽象為流，IO可以理解為對(duì)流的操作。?對(duì)于一次IO訪問(wèn)（以read舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。所以說(shuō)，

當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段:

• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)。

• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

對(duì)于socket流而言，

• 第一步：通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)，然后被復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)。

• 第二步：把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要處理的無(wú)非就是兩大類(lèi)問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)IO，數(shù)據(jù)計(jì)算。相對(duì)于后者，網(wǎng)絡(luò)IO的延遲，給應(yīng)用帶來(lái)的性能瓶頸大于后者。如果要想提高IO效率，需要將等的時(shí)間降低。

可以通過(guò)釣魚(yú)的例子來(lái)理解下:
是在魚(yú)塘里面的，我們的釣魚(yú)動(dòng)作的最終結(jié)束標(biāo)志是魚(yú)從魚(yú)塘中被我們釣上來(lái)，放入魚(yú)簍中。
這里面的魚(yú)塘就可以映射成磁盤(pán)，中間過(guò)渡的魚(yú)鉤可以映射成內(nèi)核空間，最終放魚(yú)的魚(yú)簍可以映射成用戶(hù)空間。一次完整的釣魚(yú)（IO）操作，是魚(yú)（文件）從魚(yú)塘（硬盤(pán)）中轉(zhuǎn)移（拷貝）到魚(yú)簍（用戶(hù)空間）的過(guò)程

在Linux(UNIX)操作系統(tǒng)中，共有五種IO模型，分別是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復(fù)用模型、信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(yú)的時(shí)候，有一種方式比較愜意，比較輕松，那就是我們坐在魚(yú)竿面前，這個(gè)過(guò)程中我們什么也不做，雙手一直把著魚(yú)竿，就靜靜的等著魚(yú)兒咬鉤。一旦手上感受到魚(yú)的力道，就把魚(yú)釣起來(lái)放入魚(yú)簍中。然后再釣下一條魚(yú)。

映射到Linux操作系統(tǒng)中，這就是一種最簡(jiǎn)單的IO模型，即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最簡(jiǎn)單的 I/O 模型，一般表現(xiàn)為進(jìn)程或線程等待某個(gè)條件，如果條件不滿(mǎn)足，則一直等下去。條件滿(mǎn)足，則進(jìn)行下一步操作。?

應(yīng)用進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用 recvfrom 接收數(shù)據(jù)，但由于內(nèi)核還未準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)報(bào)，應(yīng)用進(jìn)程就會(huì)阻塞住，直到內(nèi)核準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)報(bào)，recvfrom 完成數(shù)據(jù)報(bào)復(fù)制工作，應(yīng)用進(jìn)程才能結(jié)束阻塞狀態(tài)。

這種釣魚(yú)方式相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于釣魚(yú)的人來(lái)說(shuō)，不需要什么特制的魚(yú)竿，拿一根夠長(zhǎng)的木棍就可以悠閑的開(kāi)始釣魚(yú)了（實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單）。缺點(diǎn)就是比較耗費(fèi)時(shí)間，比較適合那種對(duì)魚(yú)的需求量小的情況（并發(fā)低，時(shí)效性要求低）。

BIO模型最大的問(wèn)題就是當(dāng)客戶(hù)端并發(fā)訪問(wèn)量增加后，每個(gè)客戶(hù)端的請(qǐng)求服務(wù)端都需要一個(gè)對(duì)應(yīng)的線程來(lái)處理，客戶(hù)端并發(fā)數(shù):服務(wù)端線程=1:1 ，Java中的線程是比較寶貴的系統(tǒng)資源，線程數(shù)量快速膨脹后，系統(tǒng)的性能將急劇下降，隨著訪問(wèn)量的繼續(xù)增大，系統(tǒng)很可能"崩潰"

2.2 非阻塞IO模型

我們釣魚(yú)的時(shí)候，在等待魚(yú)兒咬鉤的過(guò)程中，我們可以做點(diǎn)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(shí)不時(shí)的去看一下魚(yú)竿，一旦發(fā)現(xiàn)有魚(yú)兒上鉤了，就把魚(yú)釣上來(lái)。

映射到Linux操作系統(tǒng)中，這就是非阻塞的IO模型。應(yīng)用進(jìn)程與內(nèi)核交互，目的未達(dá)到之前，不再一味的等著，而是直接返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤。然后通過(guò)輪詢(xún)的方式，不停的去問(wèn)內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備有沒(méi)有準(zhǔn)備好。如果某一次輪詢(xún)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，那就把數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)空間中。?"非阻塞就是將大的整片時(shí)間的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以進(jìn)程不斷地有機(jī)會(huì) '被' CPU光顧"
?
應(yīng)用進(jìn)程通過(guò) recvfrom 調(diào)用不停的去和內(nèi)核交互，直到內(nèi)核準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有準(zhǔn)備好，內(nèi)核會(huì)返回error，應(yīng)用進(jìn)程在得到error后，過(guò)一段時(shí)間再發(fā)送recvfrom請(qǐng)求。在兩次發(fā)送請(qǐng)求的時(shí)間段，進(jìn)程可以先做別的事情。

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

優(yōu)點(diǎn)：能夠在輪詢(xún)的間隔時(shí)間里處理其他事情（包括提交其他任務(wù)，也就是 “后臺(tái)” 可以有多個(gè)任務(wù)在同時(shí)執(zhí)行）。

缺點(diǎn)：任務(wù)完成的響應(yīng)延遲增大了，因?yàn)槊窟^(guò)一段時(shí)間才去輪詢(xún)一次，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可能在兩次輪詢(xún)之間的任意時(shí)間完成。這會(huì)導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量的降低。

2.3 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型

我們釣魚(yú)的時(shí)候，為了避免自己一遍一遍的去查看魚(yú)竿，我們可以給魚(yú)竿安裝一個(gè)重力報(bào)警器。當(dāng)有魚(yú)兒咬鉤的時(shí)候立刻報(bào)警。然后我們?cè)偈盏綀?bào)警后，去把魚(yú)釣起來(lái)。

映射到Linux操作系統(tǒng)中，這就是信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO。注冊(cè)一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，然后應(yīng)用進(jìn)程告訴內(nèi)核：當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好的時(shí)候，給我發(fā)送一個(gè)信號(hào)。收到信號(hào)后，對(duì)SIGIO信號(hào)進(jìn)行捕捉，并且調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)并獲取結(jié)果。?
?
應(yīng)用進(jìn)程預(yù)先向內(nèi)核注冊(cè)一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，然后用戶(hù)進(jìn)程返回，并且不阻塞，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)給進(jìn)程，用戶(hù)進(jìn)程便在信號(hào)處理函數(shù)中開(kāi)始把數(shù)據(jù)拷貝的用戶(hù)空間中。

這種方式釣魚(yú)，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(shí)現(xiàn)復(fù)雜）。但是釣魚(yú)的人就可以在魚(yú)兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等著報(bào)警器響就行了。

2.4 IO復(fù)用模型

我們釣魚(yú)的時(shí)候，為了保證可以最短的時(shí)間釣到最多的魚(yú)，我們同一時(shí)間擺放多個(gè)魚(yú)竿，同時(shí)釣魚(yú)。然后哪個(gè)魚(yú)竿有魚(yú)兒咬鉤了，我們就把哪個(gè)魚(yú)竿上面的魚(yú)釣起來(lái)。

由于同步非阻塞方式需要不斷主動(dòng)輪詢(xún)，輪詢(xún)占據(jù)了很大一部分過(guò)程，會(huì)消耗大量的CPU資源，而 “后臺(tái)” 可能有多個(gè)任務(wù)在同時(shí)進(jìn)行，那么就想到了循環(huán)查詢(xún)多個(gè)任務(wù)的完成狀態(tài)，只要有任何一個(gè)任務(wù)完成(數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備號(hào))，就去處理它。如果輪詢(xún)不是使用的進(jìn)程的用戶(hù)態(tài)，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(fù)用”

生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)用到的一種模型(Java的NIO就是基于IO復(fù)用模型)

多個(gè)進(jìn)程的IO可以注冊(cè)到同一個(gè)管道上，這個(gè)管道會(huì)統(tǒng)一和內(nèi)核進(jìn)行交互。當(dāng)管道中的某一個(gè)請(qǐng)求需要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，進(jìn)程再把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)空間中。

IO多路復(fù)用使用了Linux提供的select/poll命令，進(jìn)程通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)fd傳遞給select或poll系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程調(diào)用該select，select會(huì)監(jiān)聽(tīng)所有注冊(cè)好的fd，如果所有被監(jiān)聽(tīng)的fd需要的數(shù)據(jù)都沒(méi)有準(zhǔn)備好時(shí)，select調(diào)用進(jìn)程會(huì)阻塞。當(dāng)任意一個(gè)fd處于就緒狀態(tài)后，select調(diào)用就會(huì)返回，然后進(jìn)程再通過(guò)recvfrom來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。

select/poll是順序掃描fd是否就緒，而且支持的fd數(shù)量有限，因此它的使用受到了一些制約。
Linux還提供一個(gè)epoll系統(tǒng)調(diào)用，epoll使用基于事件驅(qū)動(dòng)方式代替順序掃描，因此性能更高。當(dāng)有fd就緒時(shí)，立即回調(diào)函數(shù)rollback。

這里的IO復(fù)用模型，并沒(méi)有向內(nèi)核注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)，所以，他并不是非阻塞的。進(jìn)程在發(fā)出select后，要等到select/epoll監(jiān)聽(tīng)的所有IO操作中至少有一個(gè)需要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，才會(huì)有返回，并且也需要再次發(fā)送請(qǐng)求去進(jìn)行文件的拷貝。

這種方式的釣魚(yú)，通過(guò)增加魚(yú)竿的方式，可以有效的提升效率。

2.5 小結(jié)

上面的阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO復(fù)用模型和信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型都是同步的IO模型。原因是因?yàn)?#xff0c;無(wú)論以上那種模型，真正的數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程，都是同步進(jìn)行的。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)是內(nèi)核是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后通知進(jìn)程，然后進(jìn)程在通過(guò)recvfrom操作進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。我們可以認(rèn)為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段是異步的，但是，數(shù)據(jù)拷貝操作是同步的。所以，整個(gè)IO過(guò)程也不能認(rèn)為是異步的。

而IO復(fù)用模型中，對(duì)于每一個(gè)socket，一般都設(shè)置成為non-blocking，但是，整個(gè)用戶(hù)的進(jìn)程其實(shí)是一直被block的。只不過(guò)進(jìn)程是被select這個(gè)函數(shù)block，而不是被socket IO給block。所以IO多路復(fù)用是阻塞在select，epoll這樣的系統(tǒng)調(diào)用之上，而沒(méi)有阻塞在真正的I/O系統(tǒng)調(diào)用如recvfrom之上。

我們把釣魚(yú)過(guò)程，可以拆分為兩個(gè)步驟：1、魚(yú)咬鉤（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備）。2、把魚(yú)釣起來(lái)放進(jìn)魚(yú)簍里（數(shù)據(jù)拷貝）。無(wú)論以上提到的哪種釣魚(yú)方式，在第二步，都是需要人主動(dòng)去做的，并不是魚(yú)竿自己完成的。所以，這個(gè)釣魚(yú)過(guò)程其實(shí)還是同步進(jìn)行的。

3 異步IO模型

我們釣魚(yú)的時(shí)候，采用一種高科技釣魚(yú)竿，即全自動(dòng)釣魚(yú)竿?？梢宰詣?dòng)感應(yīng)魚(yú)上鉤，自動(dòng)收竿，更厲害的可以自動(dòng)把魚(yú)放進(jìn)魚(yú)簍里。然后，通知我們魚(yú)已經(jīng)釣到了，他就繼續(xù)去釣下一條魚(yú)去了。

映射到Linux操作系統(tǒng)中，這就是異步IO模型。應(yīng)用進(jìn)程把IO請(qǐng)求傳給內(nèi)核后，完全由內(nèi)核去操作文件拷貝。內(nèi)核完成相關(guān)操作后，會(huì)發(fā)信號(hào)告訴應(yīng)用進(jìn)程本次IO已經(jīng)完成。?

用戶(hù)進(jìn)程發(fā)起aio_read操作之后，給內(nèi)核傳遞描述符fd、緩沖區(qū)指針、緩沖區(qū)大小等，告訴內(nèi)核當(dāng)整個(gè)操作完成時(shí)，如何通知進(jìn)程，然后就立刻去做其他事情了。當(dāng)內(nèi)核收到aio_read后，會(huì)立刻返回，然后內(nèi)核開(kāi)始等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，直接把數(shù)據(jù)拷貝到用戶(hù)控件，然后再通知進(jìn)程本次IO已經(jīng)完成。

這種方式的釣魚(yú)，無(wú)疑是最省事兒的。啥都不需要管，只需要交給魚(yú)竿就可以了。

4 五種IO模型對(duì)比

參考:微信公眾號(hào) 漫畫(huà)編程

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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