引入

為了更好的理解5種IO模型的區(qū)別，在介紹IO模型之前，我先介紹幾個概念

1.進程的切換

（1）定義

為了控制進程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上運行的進程，并恢復(fù)以前掛起的某個進程的執(zhí)行。即從用戶態(tài)（較低的3G字節(jié)）切換到內(nèi)核態(tài)（最高的1G字節(jié)），非常消耗系統(tǒng)資源。

（2）過程

• 保存處理機上下文，包括程序計數(shù)器和其他寄存器。
• 更新PCB信息。
• 把進程的PCB移入相應(yīng)的隊列，如就緒、在某事件阻塞等隊列。
• 選擇另一個進程執(zhí)行，并更新其PCB。
• 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 恢復(fù)處理機上下文。

2.進程的阻塞

（1）定義

正在執(zhí)行的進程，由于期待的某些事件未發(fā)生，由運行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。

（2）特點

• 只有處于運行狀態(tài)的進程（獲得CPU）才能被阻塞
• 阻塞是主動行為
• 不占用CPU資源

3.文件描述符

（1） 定義

用于描述指向文件的引用的抽象化概念

（2） 特點

• 一個非負整數(shù)
• 本質(zhì)是一個索引值，指向內(nèi)核為每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表

4.緩存IO

• IO的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁緩存中（先拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)）

• 在應(yīng)用程序和內(nèi)核間多次數(shù)據(jù)拷貝，帶來很大的CPU開銷

5.并發(fā)與并行

• 并發(fā)：同時進行的任務(wù)數(shù)

• 并行：同時工作的物理資源數(shù)量（如CPU核數(shù)）

5種IO模型

• IO的本質(zhì)是socket的讀取，數(shù)據(jù)先拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后拷貝到應(yīng)用程序的地址空間（進程）

1.BIO（blocking IO）：同步阻塞 I/O

（1）過程

分析：從上圖可以看到在整個過程中，當(dāng)用戶進程進行系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核就開始了I/O的第一個階段，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中，當(dāng)數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備完成后，則將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)中拷貝到用戶進程的內(nèi)存中，這時用戶進程才解除block的狀態(tài)重新運行。

（2）實例

• Blocking I/O是在I/O執(zhí)行的兩個階段都被block了。

• 例如：我要去飯?zhí)贸燥?#xff0c;這時飯?zhí)玫娜撕芏?#xff0c;我就得排隊買飯，排隊的時間被浪費了，

（3）特點

• 能夠及時返回數(shù)據(jù)，無延遲
• 性能下降

2.NIO（nonblocking IO）：同步非阻塞 I/O

（1）過程

分析：從上圖可以看到在I/O執(zhí)行的兩個階段中，用戶進程只有在第二個階段被阻塞了，而第一個階段沒有阻塞，但是在第一個階段中，用戶進程需要盲等，不停的去輪詢內(nèi)核，看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好了。

（2）實例

• nonblocking I/O是在I/O執(zhí)行的第二個階段（數(shù)據(jù)復(fù)制）被block了，而第一個階段并未阻塞（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備）。

• 例如：我要去飯?zhí)贸燥?#xff0c;這時飯?zhí)玫娜撕芏?#xff0c;一般來說我需要排隊買飯，但我們飯?zhí)玫墓芾碜罱兊谋容^人性化，你點完飯后，會給你一個號碼，但飯?zhí)迷肼暫艽?#xff0c;我不得不頻繁的詢問我的飯是否做好了，但是我可以利用之前排隊的時間去買瓶飲料喝！

（3）特點

• 拷貝數(shù)據(jù)的整個過程，進程仍然是阻塞的
• 需要不斷詢問數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好了
• 能夠在等待任務(wù)完成的過程中處理其他事件
• 由于需要輪詢，所以延遲會增加

3.多路復(fù)用IO（ IO multiplexing）

（1）過程

分析：

• 從上圖可以看到在I/O復(fù)用模型中，由于同步非阻塞方式需要不斷主動輪詢，輪詢占據(jù)了很大一部分過程，輪詢會消耗大量的CPU時間，而 “后臺” 可能有多個任務(wù)在同時進行，

• 如果循環(huán)查詢多個任務(wù)的完成狀態(tài)，只要有任何一個任務(wù)完成，就去處理它。輪詢不是進程的用戶態(tài)。這時 “IO 多路復(fù)用”就出現(xiàn)了。即UNIX/Linux 的 select、poll、epoll，

• IO多路復(fù)用是阻塞在select，epoll這樣的系統(tǒng)調(diào)用之上，而沒有阻塞在真正的I/O系統(tǒng)調(diào)用如recvfrom之上。

• 從整個IO過程來看，他們都是順序執(zhí)行的，因此可以歸為同步模型(synchronous)。都是進程主動等待且向內(nèi)核檢查狀態(tài)

（2）實例

• 多路復(fù)用I/O執(zhí)行的兩個階段用戶進程都是阻塞的，但是兩個階段是獨立的。

• 例如：我要去飯?zhí)贸燥?#xff0c;這時飯?zhí)玫娜撕芏?#xff0c;點完飯后，我會拿到一個號碼，以前我不得不頻繁的詢問我的飯做好了沒，但是最近飯?zhí)冒惭b了一塊電子顯示屏，你的飯好了就會在屏上顯示出來，這時候我就不用頻繁的去問了，直接看電子顯示屏就醒了，然后我就可以利用這個時間去超市買個牙膏了。

（3）特點

• select/poll調(diào)用后會阻塞進程，但可以同時阻塞多個IO事件操作（文件描述符），有數(shù)據(jù)可讀或可寫（就緒事件），就通知用戶進程。

• select 需要每次注冊事件（輪詢），而epoll不需要每次注冊事件（沒有輪詢，回調(diào)函數(shù)）

• IO多路復(fù)用阻塞在select/epoll的系統(tǒng)調(diào)用之上的，而真正的IO系統(tǒng)調(diào)用如recvfrom是非阻塞的。

（4）適用場景

• 服務(wù)器需要同時處理多個處于監(jiān)聽狀態(tài)或連接狀態(tài)的套接字

• 服務(wù)器需要處理多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的套接字

4.信號驅(qū)動I/O（ signal driven IO）

（1）過程

分析：從上圖可以看出，只有在I/O執(zhí)行的第二階段阻塞了用戶進程，而在第一階段是沒有阻塞的。該模型在I/O執(zhí)行的第一階段，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，會主動的通知用戶進程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，即對用戶進程做一個回調(diào)。該通知分為兩種，一為水平觸發(fā)，即如果用戶進程不響應(yīng)則會一直發(fā)送通知，二為邊緣觸發(fā)，即只通知一次。

（2）實例

• 信號驅(qū)動I/O執(zhí)行的第一階段阻塞，而第二階段不阻塞。

• 例如：我要去飯?zhí)贸燥?#xff0c;這時飯?zhí)玫娜撕芏?#xff0c;點完飯后，我會拿到一個號碼，雖然說飯?zhí)冒惭b了一塊電子顯示屏，但我在玩手機時還不得不抬頭看一下顯示屏上有我的號碼沒，最近飯?zhí)觅I了一個大喇叭，哪個號碼好了，賣飯的阿姨就會用喊，雖說飯?zhí)糜悬c吵，但這個聲音還是可以聽到的，這樣我就可以專心的低頭玩手機了。

5.異步 I/O（asynchronous IO）

（1）過程

分析：從上圖可以看出，在該模型中，當(dāng)用戶進程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，立刻就可以開始去做其它的事情，然后直到I/O執(zhí)行的兩個階段都完成之后，內(nèi)核會給用戶進程發(fā)送通知，告訴用戶進程操作已經(jīng)完成了。

（2）實例

• 異步 I/O執(zhí)行的兩個階段都不會阻塞。

• 例如：我要去飯?zhí)贸燥?#xff0c;估計這會飯?zhí)玫娜撕芏?#xff0c;但最近我們飯?zhí)每梢越型赓u了，這樣就省事多了，我直接打個電話，訂份飯送到我們宿舍，而我現(xiàn)在就可以利用原來去飯?zhí)寐飞虾偷蕊埖臅r間寫博客了。

• 這就是同步和異步的區(qū)別，原來我得親自去飯?zhí)觅I飯，而現(xiàn)在我可以在宿舍叫外賣。

（3）特點

• 讀寫操作由內(nèi)核完成，完成后內(nèi)核將數(shù)據(jù)放到指定的緩沖區(qū)，通知應(yīng)用程序來取。

總結(jié)

• 阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的過程中,進程是否阻塞。

• 同步IO和異步IO的區(qū)別：數(shù)據(jù)拷貝的過程中,進程是否阻塞。

本人才疏學(xué)淺，若有錯，請指出，謝謝！?
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衷心的感謝您能耐心的讀完本篇博文！

參考資料：聊聊Linux 五種IO模型

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux基础】Linux的5种IO模型详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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