五种IO模型：阻塞/非阻塞/复用/信号驱动/异步IO模型

  • 1. IO基本概念
    • 1.1 IO概念
    • 1.2 IO的两个阶段
      • 1.2.1 IO的两个阶段-例子说明
    • 1.2 IO种类
  • 2. 五种IO模型
    • 2.1 阻塞IO模型
      • 2.1.1 举例子说明：阻塞IO模型
      • 2.1.2 阻塞IO模型
      • 2.1.3 典型应用和特点：
    • 2.2 非阻塞IO模型
      • 2.2.1 举例子说明：非阻塞IO模型
      • 2.2.2 非阻塞IO模型
      • 2.2.3 典型应用和特点：
    • 2.3 IO复用模型
      • 2.3.1 举例子说明：IO复用模型
      • 2.3.2 IO复用模型
      • 2.3.3 典型应用和特点：
    • 2.4 信号驱动的IO模型
      • 2.4.1 举例子说明：信号驱动的IO模型
      • 2.4.2 信号驱动的IO模型
      • 2.4.3 典型应用和特点：
    • 2.5 异步IO模型
      • 2.5.1 举例子说明：异步IO模型
      • 2.5.2 异步IO模型
      • 2.5.3 典型应用和特点：
  • 3. 同步IO和异步IO
    • 3.1 同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
    • 3.2 异步IO：不导致请求进程阻塞。
  • 4. 模式精细讲解： MSG_DONTWAIT 、 MSG_WAITALL
  • 参考：

1. IO基本概念

1.1 IO概念

IO (Input/Output，输入/输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作

1.2 IO的两个阶段

LINUX中进程无法直接操作I/O设备(硬盘，打印机，显示器等)，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。
所以，通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间<–>内核空间、内核空间<–>设备空间（磁盘、网络等）。

1.2.1 IO的两个阶段-例子说明

  1. 内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。
  2. 对于一个输入操作来说，进程IO系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，
    因为设备IO一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。
  3. 所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区，数据准备好；
（2）从内核缓冲区复制数据到进程空间。

1.2 IO种类

IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。

2. 五种IO模型

五种IO模型包括：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型。其中，前四个被称为同步IO。

2.1 阻塞IO模型

2.1.1 举例子说明：阻塞IO模型

假设你正在和美女微信聊天，消息发过去后，等待她回复。在等的时候不做其他的事情，十分专心。直到她回复了，你才安心做其他事情。

2.1.2 阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。

2.1.3 典型应用和特点：

  1. 阻塞socket

  2. 特点：
    进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作；
    实现难度低、开发应用较容易；
    适用并发量小的网络应用开发；

  3. 缺点：
    不适用并发量大的应用：因为一个请求IO会阻塞进程，所以，得为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

2.2 非阻塞IO模型

2.2.1 举例子说明：非阻塞IO模型

假设你正在和美女微信聊天，消息发过去后，等待她回复。在等的时候你可以做其他事情，去烧水，洗衣服等。
你做其他事情的时候，每个一会就看看手机，看她是否发消息过来了。
你每次看手机都是一次轮询的过程。

2.2.2 非阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到IO设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞；进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。

2.2.3 典型应用和特点：

  1. 典型应用：socket是非阻塞的方式（设置为NONBLOCK）
  2. 特点：
    进程轮询（重复）调用，消耗CPU的资源；
    实现难度低、开发应用相对阻塞IO模式较难；
    适用并发量较小、且不需要及时响应的网络应用开发；

2.3 IO复用模型

2.3.1 举例子说明：IO复用模型

假设你正在和很多，很多美女微信聊天（虽然不太好），消息发过去后，等待她，no 是她们回复。
你一次能看很多美女聊天框是否有哪个消息来了。如美女n消息来了，它会通过信号（顶顶顶）通知你。
增加了效率，减少了等待的时间。

2.3.2 IO复用模型

多个的进程的IO可以注册到一个复用器（select/poll/epoll）上，然后用一个进程调用该select/poll/epoll， select/poll/epoll会监听所有注册进来的IO；

如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据，select调用进程会被阻塞；而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时，select调用就会返回；

而后select调用进程可以自己或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取IO，读取内核中准备好的数据。

可以看到，多个进程注册IO后，只有另一个select调用进程被阻塞。

2.3.3 典型应用和特点：

  1. 典型应用：select、poll、epoll三种方案

  2. 特点：
    专一进程解决多个进程IO的阻塞问题，性能好
    实现、开发应用难度较大；
    适用高并发服务应用开发：一个进程（线程）响应多个请求

2.4 信号驱动的IO模型

2.4.1 举例子说明：信号驱动的IO模型

假设你正在和美女微信聊天，消息发过去后，等待她回复。这时你不用傻等，把手机调整成响铃，并且声音最大就可以了。
微信消息来了，它会通过信号（顶顶顶）通知你，你就知道了。

2.4.2 信号驱动的IO模型

当进程发起一个IO操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；
当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据。

2.4.3 典型应用和特点：

特点：回调机制，实现、开发应用难度大；

2.5 异步IO模型

2.5.1 举例子说明：异步IO模型

假设你正在和很多，很多美女微信聊天（虽然不太好），但是很多人聊天太耽误事，你就雇佣了一个小白替你跟美女们聊天。
有美女同意一起约会就通知你，你强势登场……balabala

2.5.2 异步IO模型

当进程发起一个IO操作，内核一方面去取数据报内容返回，另一方面将程序控制权还给应用进程，应用进程继续处理其他事情，是一种非阻塞的状态。
当内核中有数据报就绪时，由内核将数据报拷贝到应用程序中，让其处理。

2.5.3 典型应用和特点：

很少有Linux系统支持

  1. 典型应用：JAVA7 AIO、高性能服务器应用
  2. 特点：
    不阻塞，数据一步到位
    需要操作系统的底层支持，LINUX 2.5 版本内核首现，2.6 版本产品的内核标准特性；
    实现、开发应用难度大；
    非常适合高性能高并发应用；

3. 同步IO和异步IO

3.1 同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，双方的数据要经过内核缓冲区同步，完全准备好后，再复制返回到用户进程。
而复制返回到用户进程会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

3.2 异步IO：不导致请求进程阻塞。

用户进程发出IO调用，去获取IO设备数据，并不需要同步，内核直接复制到进程，整个过程不导致请求进程阻塞。

4. 模式精细讲解： MSG_DONTWAIT 、 MSG_WAITALL

参考：https://www.cnblogs.com/nufangrensheng/archive/2013/03/10/2952658.html

参考：

https://blog.csdn.net/tjiyu/article/details/52959418
https://blog.csdn.net/ZWE7616175/article/details/80591587

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