淺談Linux 網(wǎng)絡(luò) I/O 模型簡介（圖文）

1、介紹

Linux 的內(nèi)核將所有外部設(shè)備都看做一個文件來操作（一切皆文件），對一個文件的讀寫操作會調(diào)用內(nèi)核提供的系統(tǒng)命令，返回一個file descriptor（fd，文件描述符）。而對一個socket的讀寫也會有響應(yīng)的描述符，稱為socket fd（socket文件描述符），描述符就是一個數(shù)字，指向內(nèi)核中的一個結(jié)構(gòu)體（文件路徑，數(shù)據(jù)區(qū)等一些屬性）。

根據(jù)UNIX網(wǎng)絡(luò)編程對I/O模型的分類，UNIX提供了5種I/O模型。

1.1、阻塞I/O模型

最常用的I/O模型，默認(rèn)情況下，所有文件操作都是阻塞的。

比如I/O模型下的套接字接口：在進(jìn)程空間中調(diào)用recvfrom，其系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)包到達(dá)且被復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程的緩沖區(qū)中或者發(fā)生錯誤時才返回，在此期間一直等待。

進(jìn)程在調(diào)用recvfrom開始到它返回的整段時間內(nèi)都是被阻塞的，所以叫阻塞I/O模型。

圖示：

1.2、非阻塞I/O模型

recvfrom從應(yīng)用層到內(nèi)核的時候，就直接返回一個EWOULDBLOCK錯誤，一般都對非阻塞I/O模型進(jìn)行輪詢檢查這個狀態(tài)，看內(nèi)核是不是有數(shù)據(jù)到來。

圖示：

1.3、I/O復(fù)用模型

Linux提供select/poll，進(jìn)程通過將一個或多個fd傳遞給select或poll系統(tǒng)調(diào)用，阻塞在select操作上，這樣，select/poll可以幫我們偵測多個fd是否處于就緒狀態(tài)。

select/poll是順序掃描fd是否就緒，而且支持的fd數(shù)量有限，因此它的使用受到了一些制約。

Linux還提供一個epoll系統(tǒng)調(diào)用，epoll使用基于事件驅(qū)動方式代替順序掃描，因此性能更高。當(dāng)有fd就緒時，立即回調(diào)函數(shù)rollback。

圖示：

1.4、信號驅(qū)動I/O模型

首先開啟套接口信號驅(qū)動I/O功能，并通過系統(tǒng)調(diào)用sigaction執(zhí)行一個信號處理函數(shù)（此系統(tǒng)調(diào)用立即返回，進(jìn)程繼續(xù)工作，非阻塞）。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時，就為改進(jìn)程生成一個SIGIO信號，通過信號回調(diào)通知應(yīng)用程序調(diào)用recvfrom來讀取數(shù)據(jù)，并通知主循環(huán)函數(shù)處理樹立。

圖示：

1.5、異步I/O

告知內(nèi)核啟動某個操作，并讓內(nèi)核在整個操作完成后（包括數(shù)據(jù)的復(fù)制）通知進(jìn)程。

信號驅(qū)動I/O模型通知的是何時可以開始一個I/O操作，異步I/O模型有內(nèi)核通知I/O操作何時已經(jīng)完成。

圖示：

2、I/O多路復(fù)用技術(shù)

I/O編程中，需要處理多個客戶端接入請求時，可以利用多線程或者I/O多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)行處理。

正如前面的簡介，I/O多路復(fù)用技術(shù)通過把多個I/O的阻塞復(fù)用到同一個select的阻塞上，從而使得系統(tǒng)在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。

與傳統(tǒng)的多線程模型相比，I/O多路復(fù)用的最大優(yōu)勢就是系統(tǒng)開銷小，系統(tǒng)不需要創(chuàng)建新的額外線程，也不需要維護(hù)這些線程的運(yùn)行，降低了系統(tǒng)的維護(hù)工作量，節(jié)省了系統(tǒng)資源。

主要的應(yīng)用場景：

1. 服務(wù)器需要同時處理多個處于監(jiān)聽狀態(tài)或多個連接狀態(tài)的套接字。
2. 服務(wù)器需要同時處理多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的套接字。

支持I/O多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用主要有select、pselect、poll、epoll。

而當(dāng)前推薦使用的是epoll，優(yōu)勢如下：

1. 支持一個進(jìn)程打開的socket fd不受限制。
2. I/O效率不會隨著fd數(shù)目的增加而線性下將。
3. 使用mmap加速內(nèi)核與用戶空間的消息傳遞。
4. epoll擁有更加簡單的API。

3、Java中的網(wǎng)絡(luò)IO編程

如果只是做Java開發(fā)，以上內(nèi)容只需了解即可，不必深究（隨便說說而已）。

已專門出了文章介紹：Java 網(wǎng)絡(luò)IO編程總結(jié)（BIO、NIO、AIO均含完整實(shí)例代碼）