四种主要的IO模型

╰半夏微凉° 2022-12-23 09:52 94阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  1、同步阻塞IO（Blocking IO）
 *  2、同步非阻塞IO（Non-blocking IO）
 *  3、IO多路复用模型（IO Multiplexing）
 *   *  几种系统调用的区别：
     *   *  1.select
         *   *  优点
             *  缺点
         *  2.poll
         *   *  优点
             *  缺点
         *  3.epoll
         *   *  三者区别
 *  4、异步IO模型（Asynchronous IO）
 *   *  流程（以一次socket的read读操作系统调用为例）：

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# 前言 #

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常见的IO模型有四种：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路复用、异步IO。其中，

1.  阻塞与非阻塞的区别  
      阻塞与非阻塞都指的是用户空间程序的执行状态。阻塞IO指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的操作。  
      阻塞是指用户空间（调用线程）一直在等待，而不能干别的事情；非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，就可以去完成别的任务。
2.  同步与异步的区别  
      同步IO是一种用户空间与内核空间的IO发起方式。**同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接收方；异步IO是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受方。**

# 1、同步阻塞IO（Blocking IO） #

在Java中，默认创建的socket都是阻塞的。由用户空间向内核空间发起IO请求，等到内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户操作。  
  在阻塞式IO模型中，Java程序从IO系统调用开始，直到系统调用返回，在这段时间内，Java进程是阻塞的。返回成功后，应用进程开始处理用户空间的缓存区数据。

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\#\# 流程（以一次socket的read读操作系统调用为例）： 1. 从Java启动IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。 2. 当系统内核收到read系统调用，就开始准备数据。一开始，数据可能还没有到达内核缓冲区（例如还未收到一个完整的socket数据包），这个时候内核就要开始等待。 3. 内核一直等到完整的数据到达，就会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到用户缓冲区中的字节数）。 4. 直到内核返回后，用户线程才会解除阻塞的状态，重新运行。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1. 应用程序开发简单；2.在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，基本不会占用CPU资源。</td> 
   <td>一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程，每个线程维护一个连接的IO操作</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 当在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销巨大。阻塞IO不适合在高并发应用场景下。

# 2、同步非阻塞IO（Non-blocking IO） #

同步非阻塞IO简称为NIO模式。由用户空间主动发起IO请求，但是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间执行用户的操作，即处于非阻塞状态，与此同时，内核会立即返回给用户一个状态值。  
  在NIO模型中，应用程序一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：

1.  在内核缓冲区中没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。
2.  在内核缓冲区中有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，应用进程开始处理用户空间的缓存数据。

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\#\# 流程（以一次socket的read读操作系统调用为例）：

1.  在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。所以为了读取到最终的数据，用户线程需要不断地发起IO系统调用。
2.  内核数据到达时，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到用户缓冲区中的字节数）。
3.  用户线程读到数据后，才会解除阻塞状态，重新运行起来。

> 同步非阻塞IO的特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，**轮询**数据是否已经准备好。如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。即一次IO请求可能无法获取数据。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。</td> 
   <td>不断地轮询内核，会占用大量的CPU时间，效率低下。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 3、IO多路复用模型（IO Multiplexing） #

为了避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题，有了IO多路复用模型。在IO多路复用模型中，用到了一种新的系统调用，用于查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的系统调用为select/poll、epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个**文件描述符**，一旦某个描述符就绪（内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用（读写过程为阻塞状态）。

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## 几种系统调用的区别： ##

### 1.select ###

时间复杂度为O(n)。select 的核心功能是调用tcp文件系统的poll函数，不停的查询，若是没有想要的数据，主动执行一次调度（防止一直占用cpu），直到有一个链接有想要的消息为止。select的执行方式基本就是不停的调用poll，直到有需要的消息为止。

#### 优点 ####

①. select的可移植性更好，在某些Unix系统上不支持poll()。  
②. select对于超时值提供了更好的精度：微秒，而poll是毫秒。

#### 缺点 ####

①. 每次调用select，都须要把fd（文件描述符）集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd不少时会很大；  
②. 同时每次调用select都须要在内核遍历传递进来的全部fd，这个开销在fd不少时也很大；  
③. select支持的文件描述符数量过小了，默认是1024。

### 2.poll ###

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，而后查询每一个fd对应的设备状态，若是设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，若是遍历完全部fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了屡次无谓的遍历。poll还有一个特色是“水平触发”，若是报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

#### 优点 ####

①. poll() 不要求开发者计算最大文件描述符加一的大小。

②. poll() 在应付大数目的文件描述符的时候速度更快，相比于select。

**③. 它没有最大链接数的限制，缘由是它是基于链表来存储的。**

#### 缺点 ####

①. 大量的fd的数组被总体复制于用户态和内核地址空间之间，而无论这样的复制是否是有意义；  
②. 与select同样，poll返回后，须要轮询pollfd来获取就绪的描述符。

### 3.epoll ###

epoll是在Linux2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

#### 三者区别 ####

select，poll实现须要本身不断轮询全部fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒屡次交替。而epoll其实也须要调用epoll\_wait不断轮询就绪链表，期间也可能屡次睡眠和唤醒交替，可是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll\_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，可是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空即可，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提高。

# 4、异步IO模型（Asynchronous IO） #

异步IO模型（Asynchronous IO，简称为AIO）。AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作。内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后序的业务操作。在异步IO模型中，用户程序都不会发生阻塞。

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## 流程（以一次socket的read读操作系统调用为例）： ##

1.  当用户线程发起了read系统调用，立即就可以去做其他的事，用户线程不阻塞。
2.  内核开始IO的第一个阶段：准备数据。等到数据准备好，内核就会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存）。
3.  内核会给用户线程发送一个信号（Singal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程read操作完成。
4.  用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

> 异步IO模型的特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。用户线程需要接受内核的IO操作完成的事件，或者用户线程需要注册一个IO操作完成的回调函数。异步IO也被称为信号驱动IO。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>异步IO是真正的异步输入输出，它的吞吐量高于IO多路复用</td> 
   <td>应用程序仅需要进行事件的注册和接收，其余的工作都留给了操作系统，需要底层内核的支持。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

目前只有Windows系统下通过IOCP实现了真正的异步IO，在Linux系统下，异步IO底层实现仍使用epoll，与IO多路复用相同，在性能上没有明显的优势。

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