基本概念

我們之前編寫的套接字程序都是阻塞式的，其實(shí)這也是默認(rèn)的形式。現(xiàn)在我們需要明確一些概念：

用戶空間和內(nèi)核空間

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首先要明確，用戶啟動的應(yīng)用程序在系統(tǒng)中以一個進(jìn)程的形式存在，而無論對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)還是磁盤數(shù)據(jù)通常來講這個進(jìn)程都無法直接訪問，必須由內(nèi)核把數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間也就是進(jìn)程所在的內(nèi)存空間里這個進(jìn)程才可以訪問。上圖結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)請求和磁盤數(shù)據(jù)，用戶發(fā)起一個HTTP請求，請求一個HTML頁面，這個頁面就在磁盤上，其實(shí)就是把這個HTML頁面發(fā)送給用戶，用戶的瀏覽器解析HTML語言就顯示了頁面。用戶請求一個頁面其實(shí)就是阻塞的，瀏覽器必須等待所有數(shù)據(jù)返回后才能正確顯示這個頁面。所以這個請求的整個過程是阻塞的也是同步的，因?yàn)槟銦o法讓當(dāng)前這個瀏覽器標(biāo)簽在等待服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)的時候去干別的。

其實(shí)對于我們之前寫的程序也是一樣，雖然服務(wù)器做的事情就是回顯客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，其實(shí)客戶端發(fā)送過來也是先進(jìn)入服務(wù)器內(nèi)核的TCP協(xié)議棧，而你的服務(wù)端程序運(yùn)行在用戶空間，內(nèi)核需要把這個數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，然后服務(wù)器端程序才能拿到進(jìn)而進(jìn)行處理然后在進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送的過程其實(shí)就是接受的反向過程。

名詞解釋

阻塞：進(jìn)程發(fā)起IO調(diào)用時，如果這個IO沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)那么進(jìn)程調(diào)用的這個函數(shù)將不會返回，那么這個進(jìn)程就要進(jìn)入睡眠狀態(tài)，也就是當(dāng)前進(jìn)程會被掛起。當(dāng)數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間后才返回。

非阻塞：進(jìn)程發(fā)起IO調(diào)用時，被調(diào)用函數(shù)在完成IO之前不會阻塞當(dāng)前進(jìn)程，而是立即返回，返回的含義你可以理解為數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好。雖然進(jìn)程不阻塞，但是它需要頻繁的調(diào)用之前的函數(shù)看看數(shù)據(jù)有沒有準(zhǔn)備好，所以這就是忙等，也叫輪訓(xùn)。

同步：進(jìn)程發(fā)起一個過程調(diào)用（功能、函數(shù)）調(diào)用后，在沒得到結(jié)果之前，該調(diào)用將不會返回。相當(dāng)于你買麥當(dāng)勞，你拿著小票在取餐處等著，如果你的餐沒有做好那么服務(wù)員是不會給你端上來的。

異步：進(jìn)程發(fā)起一個過程調(diào)用，即使不能立即得到結(jié)果，但也會得到返回值。當(dāng)IO完成后，內(nèi)核會通知進(jìn)程資源已經(jīng)準(zhǔn)備好了，你可以來讀取了。你可以理解為飯店點(diǎn)菜，點(diǎn)好了你可以干別的，菜好了服務(wù)員就給你端上來。

同步和阻塞、異步和非阻塞看起來概念上很像，但是他們所描述的對象不同，同步或異步是被調(diào)用者如何響應(yīng)調(diào)用者，而阻塞或非阻塞是調(diào)用者如何被處理的。或者換句話說阻塞或非阻塞這種狀態(tài)的描述對象是進(jìn)程也就調(diào)用者被如何處理的，而同步或異步的這種處理方式所描述的對象是被調(diào)用者會如何響應(yīng)調(diào)用者的。所以說的是同一個事情，但是描述的時候所站在的角度不同。

如果要把同步、異步、阻塞和非阻塞對應(yīng)到后面要說的IO模型上的話，那么阻塞和非阻塞就是進(jìn)程調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)是否立即返回?zé)o論數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好沒有；同步和異步就是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的過程中進(jìn)程是否阻塞。

五種調(diào)用模型

阻塞式IO

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阻塞式IO也是我們之前一直使用的模式其實(shí)也是默認(rèn)模式。一次系統(tǒng)調(diào)用分為2個階段：

數(shù)據(jù)從磁盤到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)

內(nèi)核把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到進(jìn)程空間，然后刪除內(nèi)核空間數(shù)據(jù)

進(jìn)程調(diào)用recvfrom就被阻塞，這時候就等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了就從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，復(fù)制完成之后recvfrom函數(shù)才返回，這時候進(jìn)程才開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在上面的圖示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好我們理解為數(shù)據(jù)可讀，結(jié)合之前的例子就是我們的服務(wù)端程序阻塞在accept處，當(dāng)有新連接進(jìn)來之后連接套接字變?yōu)榭勺x這時候就accept就返回了，看下圖代碼：

另外在接收客戶端數(shù)據(jù)的時候服務(wù)端調(diào)用recv函數(shù)其實(shí)也是阻塞在這里，因?yàn)樗戎蛻舳税l(fā)數(shù)據(jù)來，如下圖：

因?yàn)閏onnFd代表一個與客戶端的連接套接字，這個套接字可讀證明有數(shù)據(jù)到達(dá)且被復(fù)制到進(jìn)程的緩沖區(qū)（也就是用戶空間），這時候這個函數(shù)才返回，否則就一直阻塞。

非阻塞式IO

你明白了上面的阻塞式IO后再看這個非阻塞式的就很好理解，調(diào)用函數(shù)不阻塞立即返回，但是內(nèi)核不會告訴你啥時候數(shù)據(jù)到達(dá)，你的反復(fù)調(diào)用，如果第N次調(diào)用剛好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，那么就阻塞了，這時候開始等待數(shù)據(jù)復(fù)制，復(fù)制完畢函數(shù)返回。這種方式會大量消耗CPU時間。

IO復(fù)用

在這種模型中，這時候并不是進(jìn)程直接發(fā)起資源請求的系統(tǒng)調(diào)用去請求資源，進(jìn)程不會被“全程阻塞”，進(jìn)程是調(diào)用select或poll函數(shù)。進(jìn)程不是被阻塞在真正IO上了，而是阻塞在select或者poll上了。Select或者poll幫助用戶進(jìn)程去輪詢那些IO操作是否完成。

不過你可以看到之前都只使用一個系統(tǒng)調(diào)用，在IO復(fù)用中反而是用了兩個系統(tǒng)調(diào)用，但是使用IO復(fù)用你就可以等待多個描述符也就是通過單進(jìn)程單線程實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理，同時還可以兼顧處理套接字描述符和其他描述符。

信號驅(qū)動模型

讓內(nèi)核在文件描述符就緒時通過信號通知進(jìn)程。從上圖可以看出這種模型進(jìn)程建立信號處理程序然后立即返回，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后發(fā)送信號通知進(jìn)程，然后進(jìn)程調(diào)用recvfrom系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行復(fù)制數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間后函數(shù)返回（信號驅(qū)動機(jī)制需要內(nèi)核支持）。這就相當(dāng)于是你點(diǎn)菜下單后可以繼續(xù)干其他的事情雖然菜好了會通知你，但是你需要自己去拿。但這里有個情況，如果通知進(jìn)程來拿數(shù)據(jù)，但是進(jìn)程沒來怎么辦？這就引出了水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)概念

邊緣觸發(fā)（Edge triggered）：以epoll為例，當(dāng)被監(jiān)控的文件描述符上有可讀寫事件時，被調(diào)用者（epoll_wait()）通知進(jìn)程去讀寫，如果一次沒有把全部數(shù)據(jù)讀寫完畢比如讀寫緩沖區(qū)太小，那么下次調(diào)用epoll_wait()時被調(diào)用者它不會通知進(jìn)程，它只通知一次，直到該文件描述符上出現(xiàn)第二次可讀寫事件才會通知。信號驅(qū)動IO是邊緣觸發(fā)模型，epoll()支持水平也支持邊緣，默認(rèn)是水平觸發(fā)。

水平觸發(fā)（Level triggered）：以epoll為例，當(dāng)被監(jiān)控的文件描述符上有可讀寫事件時，被調(diào)用者（epoll_wait()）通知進(jìn)程去讀寫，如果一次沒有把全部數(shù)據(jù)讀寫完畢比如讀寫緩沖區(qū)太小，那么下次調(diào)用epoll_wait()時，它還會通知進(jìn)程在上次沒有讀寫完的文件描述符上繼續(xù)讀寫，當(dāng)然如果你一直不讀寫，它會一直通知。如果系統(tǒng)中有大量你需要讀寫的文件描述符，而且它每次都返回，這會大大降低程序檢查自己關(guān)心的文件描述符的效率，相比之下邊緣觸發(fā)效率更高。Select()和poll()都是水平觸發(fā)的。

異步IO模型

這種模型可以看出全程無阻塞，就等于你點(diǎn)菜下單后你可以續(xù)干其他的事情，菜做好了服務(wù)員會給你端上來，剩下的就是你如何處理這些菜。從效率上來講異步IO模型是最高的。

5種IO模型比較

從上圖可以效率從左至右逐步提高，其實(shí)IO復(fù)用也不是不阻塞，只是阻塞在像select這種IO復(fù)用函數(shù)這里。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/rexcheny/p/9721246.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的（四）五种IO模型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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