引入

為了更好的理解5種IO模型的區別，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

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

（2）過程

• 保存處理機上下文，包括程序計數器和其他寄存器。
• 更新PCB信息。
• 把進程的PCB移入相應的隊列，如就緒、在某事件阻塞等隊列。
• 選擇另一個進程執行，并更新其PCB。
• 更新內存管理的數據結構。
• 恢復處理機上下文。

2.進程的阻塞

（1）定義

正在執行的進程，由于期待的某些事件未發生，由運行狀態變為阻塞狀態。

（2）特點

• 只有處于運行狀態的進程（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
• 本質是一個索引值，指向內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的數據緩存在文件系統的頁緩存中（先拷貝到內核的緩沖區）

• 在應用程序和內核間多次數據拷貝，帶來很大的CPU開銷

5.并發與并行

• 并發：同時進行的任務數

• 并行：同時工作的物理資源數量（如CPU核數）

5種IO模型

• IO的本質是socket的讀取，數據先拷貝到內核的緩沖區中，然后拷貝到應用程序的地址空間（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，當用戶進程進行系統調用時，內核就開始了I/O的第一個階段，準備數據到緩沖區中，當數據都準備完成后，則將數據從內核緩沖區中拷貝到用戶進程的內存中，這時用戶進程才解除block的狀態重新運行。

（2）實例

• Blocking I/O是在I/O執行的兩個階段都被block了。

• 例如：我要去飯堂吃飯，這時飯堂的人很多，我就得排隊買飯，排隊的時間被浪費了，

（3）特點

• 能夠及時返回數據，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，不停的去輪詢內核，看數據是否準備好了。

（2）實例

• nonblocking I/O是在I/O執行的第二個階段（數據復制）被block了，而第一個階段并未阻塞（數據準備）。

• 例如：我要去飯堂吃飯，這時飯堂的人很多，一般來說我需要排隊買飯，但我們飯堂的管理最近變的比較人性化，你點完飯后，會給你一個號碼，但飯堂噪聲很大，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

• 拷貝數據的整個過程，進程仍然是阻塞的
• 需要不斷詢問數據是否準備好了
• 能夠在等待任務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.多路復用IO（ IO multiplexing）

（1）過程

分析：

• 從上圖可以看到在I/O復用模型中，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” 可能有多個任務在同時進行，

• 如果循環查詢多個任務的完成狀態，只要有任何一個任務完成，就去處理它。輪詢不是進程的用戶態。這時 “IO 多路復用”就出現了。即UNIX/Linux 的 select、poll、epoll，

• 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。

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

（2）實例

• 多路復用I/O執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：我要去飯堂吃飯，這時飯堂的人很多，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，但是最近飯堂安裝了一塊電子顯示屏，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），有數據可讀或可寫（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，回調函數）

• IO多路復用阻塞在select/epoll的系統調用之上的，而真正的IO系統調用如recvfrom是非阻塞的。

（4）適用場景

• 服務器需要同時處理多個處于監聽狀態或連接狀態的套接字

• 服務器需要處理多種網絡協議的套接字

4.信號驅動I/O（ signal driven IO）

（1）過程

分析：從上圖可以看出，只有在I/O執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執行的第一階段，當數據準備完成之后，會主動的通知用戶進程數據已經準備完成，即對用戶進程做一個回調。該通知分為兩種，一為水平觸發，即如果用戶進程不響應則會一直發送通知，二為邊緣觸發，即只通知一次。

（2）實例

• 信號驅動I/O執行的第一階段阻塞，而第二階段不阻塞。

• 例如：我要去飯堂吃飯，這時飯堂的人很多，點完飯后，我會拿到一個號碼，雖然說飯堂安裝了一塊電子顯示屏，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，最近飯堂買了一個大喇叭，哪個號碼好了，賣飯的阿姨就會用喊，雖說飯堂有點吵，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，當用戶進程發起系統調用后，立刻就可以開始去做其它的事情，然后直到I/O執行的兩個階段都完成之后，內核會給用戶進程發送通知，告訴用戶進程操作已經完成了。

（2）實例

• 異步 I/O執行的兩個階段都不會阻塞。

• 例如：我要去飯堂吃飯，估計這會飯堂的人很多，但最近我們飯堂可以叫外賣了，這樣就省事多了，我直接打個電話，訂份飯送到我們宿舍，而我現在就可以利用原來去飯堂路上和等飯的時間寫博客了。

• 這就是同步和異步的區別，原來我得親自去飯堂買飯，而現在我可以在宿舍叫外賣。

（3）特點

• 讀寫操作由內核完成，完成后內核將數據放到指定的緩沖區，通知應用程序來取。

總結

• 阻塞IO和非阻塞IO的區別：數據準備的過程中,進程是否阻塞。

• 同步IO和異步IO的區別：數據拷貝的過程中,進程是否阻塞。

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參考資料：聊聊Linux 五種IO模型