Linux下五种I/O模型详解（阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动、异步IO）

不念不忘少年蓝@ 2022-05-14 05:19 219阅读 0赞

文章转载自微信公众号：漫话编程

*  1 什么是I/O
 *  2 同步IO模型
    
     *  2.1 阻塞IO模型
     *  2.2 非阻塞IO模型
     *  2.3 信号驱动IO模型
     *  2.4 IO复用模型
     *  2.5 小结
 *  3 异步IO模型
 *  4 五种IO模型对比

# 1 什么是I/O #

程序是由数据+指令构成的，运行程序的过程可以分成下面这几步：

1.将代码加载到内存中，逐条运行内存中的代码  
2.在运行代码的过程中，可能需要对文件的读写，即将文件输入（Input）到内存和将代码执行结果产生的文件输出（Output）到外设（网络、磁盘）的过程。那么这个数据交换的过程就是I/O  
…

[IO中的阻塞、非阻塞、同步、异步概念分析][IO]  
通过上面这篇文章你可以知道同步、异步、阻塞、非阻塞这些概念，并且可以了解到java中I/O编程的三种模型，阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和异步IO(AIO)。Java中NIO和AIO都是通过epoll来实现的。

我们常说的IO，指的是文件的输入和输出，但是在操作系统层面是如何定义IO的呢？到底什么样的过程可以叫做是一次IO呢？

拿一次磁盘文件读取为例，我们要读取的文件是存储在磁盘上的，我们的目的是把它读取到内存中。可以把这个步骤简化成把数据从硬件（硬盘）中读取到用户空间中。

其实真正的文件读取还涉及到缓存等细节，这里就不展开讲述了。关于用户空间、内核空间以及硬件等的关系如果读者不理解的话，可以通过钓鱼的例子理解。

钓鱼的时候，刚开始鱼是在鱼塘里面的，我们的钓鱼动作的最终结束标志是鱼从鱼塘中被我们钓上来，放入鱼篓中。

这里面的鱼塘就可以映射成磁盘，中间过渡的鱼钩可以映射成内核空间，最终放鱼的鱼篓可以映射成用户空间。一次完整的钓鱼（IO）操作，是鱼（文件）从鱼塘（硬盘）中转移（拷贝）到鱼篓（用户空间）的过程

在Linux(UNIX)操作系统中，共有五种IO模型，分别是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动IO模型以及异步IO模型。

# 2 同步IO模型 #

## 2.1 阻塞IO模型 ##

我们钓鱼的时候，有一种方式比较惬意，比较轻松，那就是我们坐在鱼竿面前，这个过程中我们什么也不做，双手一直把着鱼竿，就静静的等着鱼儿咬钩。一旦手上感受到鱼的力道，就把鱼钓起来放入鱼篓中。然后再钓下一条鱼。

映射到Linux操作系统中，这就是一种最简单的IO模型，即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型，一般表现为进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作。  
![这里写图片描述][20180903141917144]

应用进程通过系统调用 recvfrom 接收数据，但由于内核还未准备好数据报，应用进程就会阻塞住，直到内核准备好数据报，recvfrom 完成数据报复制工作，应用进程才能结束阻塞状态。

这种钓鱼方式相对来说比较简单，对于钓鱼的人来说，不需要什么特制的鱼竿，拿一根够长的木棍就可以悠闲的开始钓鱼了（实现简单）。缺点就是比较耗费时间，比较适合那种对鱼的需求量小的情况（并发低，时效性要求低）。

## 2.2 非阻塞IO模型 ##

我们钓鱼的时候，在等待鱼儿咬钩的过程中，我们可以做点别的事情，比如玩一把王者荣耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我们要时不时的去看一下鱼竿，一旦发现有鱼儿上钩了，就把鱼钓上来。

映射到Linux操作系统中，这就是非阻塞的IO模型。应用进程与内核交互，目的未达到之前，不再一味的等着，而是直接返回。然后通过轮询的方式，不停的去问内核数据准备有没有准备好。如果某一次轮询发现数据已经准备好了，那就把数据拷贝到用户空间中。  
![这里写图片描述][20180903142020557]  
应用进程通过 recvfrom 调用不停的去和内核交互，直到内核准备好数据。如果没有准备好，内核会返回error，应用进程在得到error后，过一段时间再发送recvfrom请求。在两次发送请求的时间段，进程可以先做别的事情。

这种方式钓鱼，和阻塞IO比，所使用的工具没有什么变化，但是钓鱼的时候可以做些其他事情，增加时间的利用率。

## 2.3 信号驱动IO模型 ##

我们钓鱼的时候，为了避免自己一遍一遍的去查看鱼竿，我们可以给鱼竿安装一个报警器。当有鱼儿咬钩的时候立刻报警。然后我们再收到报警后，去把鱼钓起来。

映射到Linux操作系统中，这就是信号驱动IO。应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。  
![这里写图片描述][20180903143856314]  
应用进程预先向内核注册一个信号处理函数，然后用户进程返回，并且不阻塞，当内核数据准备就绪时会发送一个信号给进程，用户进程便在信号处理函数中开始把数据拷贝的用户空间中。

这种方式钓鱼，和前几种相比，所使用的工具有了一些变化，需要有一些定制（实现复杂）。但是钓鱼的人就可以在鱼儿咬钩之前彻底做别的事儿去了。等着报警器响就行了。

## 2.4 IO复用模型 ##

生产中经常会用到的一种模型  
我们钓鱼的时候，为了保证可以最短的时间钓到最多的鱼，我们同一时间摆放多个鱼竿，同时钓鱼。然后哪个鱼竿有鱼儿咬钩了，我们就把哪个鱼竿上面的鱼钓起来。

映射到Linux操作系统中，这就是IO复用模型。多个进程的IO可以注册到同一个管道上，这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后，进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。

![这里写图片描述][20180903144049342]

IO多路转接是多了一个select函数，多个进程的IO可以注册到同一个select上，当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有被监听的IO需要的数据都没有准备好时，select调用进程会阻塞。当任意一个IO所需的数据准备好之后，select调用就会返回，然后进程在通过recvfrom来进行数据拷贝。

这里的IO复用模型，并没有向内核注册信号处理函数，所以，他并不是非阻塞的。进程在发出select后，要等到select监听的所有IO操作中至少有一个需要的数据准备好，才会有返回，并且也需要再次发送请求去进行文件的拷贝。

这种方式的钓鱼，通过增加鱼竿的方式，可以有效的提升效率。

## 2.5 小结 ##

我们说阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型和信号驱动IO模型都是同步的IO模型。原因是因为，无论以上那种模型，真正的数据拷贝过程，都是同步进行的。

信号驱动难道不是异步的么？ 信号驱动，内核是在数据准备好之后通知进程，然后进程再通过recvfrom操作进行数据拷贝。我们可以认为数据准备阶段是异步的，但是，数据拷贝操作是同步的。所以，整个IO过程也不能认为是异步的。

我们把钓鱼过程，可以拆分为两个步骤：1、鱼咬钩（数据准备）。2、把鱼钓起来放进鱼篓里（数据拷贝）。无论以上提到的哪种钓鱼方式，在第二步，都是需要人主动去做的，并不是鱼竿自己完成的。所以，这个钓鱼过程其实还是同步进行的。

# 3 异步IO模型 #

我们钓鱼的时候，采用一种高科技钓鱼竿，即全自动钓鱼竿。可以自动感应鱼上钩，自动收竿，更厉害的可以自动把鱼放进鱼篓里。然后，通知我们鱼已经钓到了，他就继续去钓下一条鱼去了。

映射到Linux操作系统中，这就是异步IO模型。应用进程把IO请求传给内核后，完全由内核去操作文件拷贝。内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次IO已经完成。  
![这里写图片描述][20180903144252359]

用户进程发起aio\_read操作之后，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小等，告诉内核当整个操作完成时，如何通知进程，然后就立刻去做其他事情了。当内核收到aio\_read后，会立刻返回，然后内核开始等待数据准备，数据准备好以后，直接把数据拷贝到用户控件，然后再通知进程本次IO已经完成。

这种方式的钓鱼，无疑是最省事儿的。啥都不需要管，只需要交给鱼竿就可以了。

# 4 五种IO模型对比 #

![这里写图片描述][2018090314433031]

[IO]: https://blog.csdn.net/gui951753/article/details/82345237
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