網絡編程之五種I/O模型

一.概述：

在網絡編程中，阻塞、非阻塞、同步、異步經常被提到，下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

五種I/O模型分別是阻塞式I/O，非阻塞式I/O，信號驅動，I/O復用（這四種是同步I/O），異步I/O。

我來舉一個例子來解釋這五種I/O模型：

有A，B，C，D，E五個人在釣魚：
A用的是最老式的魚竿，所以呢，得一直守著，等到魚上鉤了再拉桿。（阻塞式I/O）

B呢，它的魚竿比較新，不怕魚上鉤后把魚竿拽走，所以他一邊看手機，一邊時不時看一下魚竿是否有魚上鉤，有的話就迅速拉魚竿。（非阻塞式I/O）

C的魚竿有個功能，能夠顯示是否有魚上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會再看看有沒有魚上鉤，有的話就迅速拉桿。（信號驅動）

D用的魚竿和C差不多，但他想了一個好辦法，就是同時放好幾根魚竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說魚上鉤了，它就將對應的魚竿拉起來；（I/O復用）

E是個有錢人（有錢人了不起啊），干脆雇了一個人幫他釣魚，一旦那個人把魚釣上來了，就給E發個短信。（異步I/O）

下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

二.I/O操作過程：

首先，進行I/O操作涉及到了硬件，所以就會和操作系統打交道。（從網卡這兩個讀取/發送數據到網絡中是操作系統做的）所以，先解釋以下我理解的I/O過程（總的來說是   等數據 和  數據搬遷   這兩個過程）

首先，通過系統給我們的API函數調用I/O操作（此時在用戶態），這個函數先等待I/O緩存中有數據，操作系統會監測I/O緩存（此時在內核態），當I/O緩存中接收到數據時，操作系統先通知這個函數調用（進入用戶態），然后這個函數的實現中會調用一些已經包裝好的函數，“ 這些 ”函數會把數據從內核中拷貝到用戶緩存區（先到內核態，再到用戶態），然后這個函數就會返回。

具體如下圖：

三.I/O操作中的阻塞、非阻塞、同步、異步：

（1）.同步：同步就是在一個功能調用時，在這個調用沒有得到結果之前，這個調用不會返回。（在I/O操作中，如調用read函數，這個函數會被阻塞在read函數調用處，但內核一直在做與read相關的事情，也就是這個函數是激活的（會占用cpu），只是從表面上看函數還沒有返回而已）。

（2）.阻塞：阻塞調用就是調用一個函數，這個調用結果沒有得到結果之前，執行這個函數的線程會被掛起（這個狀態下，cpu不會給該函數分配時間片），直到得到結果后才返回。

（3）.非阻塞：是指如果一個函數不能立刻得到結果，這個函數不會阻塞該線程而立即返回。

（4）.異步：是指在一個功能調用時，這個調用不會立即得到結果，也不會阻塞該線程，這個調用所在的線程會繼續執行其它事情，而這個功能是由其它執行部件來完成，當這個部件執行完該功能時，通過狀態，通知來通知調用者，或通過回調函數處理這個調用。

執行部件和調用者可以通過三種途徑返回結果：
a.   狀態、
b.   通知、
c.   回調函數。
使用哪一種依賴于執行部件的實現，除非執行部件提供多種選擇，否則不受調用者控制。

a. 如果執行部件用狀態來通知，
    那么調用者就需要每隔一定時間檢查一次，效率就很低

b. 如果是使用通知的方式，
    效率則很高，因為執行部件幾乎不需要做額外的操作。

c. 至于回調函數，
    和通知沒太多區別。

四.五種I/O模型：（理解了上面的知識，下面應該比較容易理解了）

（1）.阻塞式I/O：

  應用程序調用一個IO函數，導致應用程序阻塞，等待數據準備好。 如果數據沒有準備好，一直等待….數據準備好了，從內核拷貝到用戶空間，IO函數返回成功指示。

如下圖：

（2）.非阻塞式I/O：

在非阻塞I/O中，一定要把一個I/O操作函數放在一個死循環中，直到這個I/O函數返回一個正確值時才跳出這個循環。

我們把一個SOCKET接口設置為非阻塞就是告訴內核，當所請求的I/O操作無法完成時，不要將線程睡眠，而是返回一個錯誤。這樣我們的I/O操作函數將不斷的測試數據是否已經準備好，如果沒有準備好，繼續測試，直到數據準備好為止。在這個不斷測試的過程中，會大量的占用CPU的時間。

如下圖：

（3）.信號驅動：

 首先要允許接口進行信號驅動I/O，然后安裝一個信號處理函數，線程繼續運行并不阻塞。當數據準備好時，線程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數中調用I/O操作函數處理數據。

如下圖：

（4）.I/O復用：

I/O 復用模型會用到select、poll、epoll函數，這幾個函數也會使進程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的，這幾個函數可以同時阻塞多個I/O操 作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正調用I/O操作函數。（比阻塞式I/O并沒有上面優越性，但它實現了對多個I/O端口的監聽）

如下圖：

（5）.異步I/O：

當一個異步過程調用發出后，調用者不能立刻得到結果。實際處理這個調用的部件在完成后，通過狀態、通知和回調來通知調用者的輸入輸出操作。

如下圖：

六.五種I/O模型比較：

七.總結：

理解五種I/O模型應該先理解I/O操作過程，并理解阻塞，非阻塞，同步，異步的一些知識。

I/O操作要和硬件打交道，所以會I/O操作過程會涉及到操作系統。

處理I/O操作分為兩個過程，一是等待數據，二是把數據從內核中搬到用戶空間。

這五中I/O模型的不同之處是在等待數據的方式上，在第二個過程中是一樣的，都是把數據從內核中搬到用戶空間，然后進行相關操作。