IO的五種模型是什么

本篇內(nèi)容介紹了“IO的五種模型是什么”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

我們經(jīng)常提到 IO、NIO 這些名詞。那么，到底什么是 IO 呢？什么又是 NIO 呢？

另外，我們平時(shí)又會(huì)聽(tīng)到兩組很相似的概念：阻塞 / 非阻塞、同步 / 異步。那么，阻塞和非阻塞有什么區(qū)別呢？同步和異步又有什么區(qū)別呢？很多同學(xué)對(duì)這兩組概念都比較容易混淆，也講不清楚。

所以，本期教程就從網(wǎng)絡(luò) IO 的角度出發(fā)并用生活中常見(jiàn)的案例來(lái)白話 IO 的五種模型，以及上面兩組概念。

用戶空間和內(nèi)核空間

操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，它獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)核空間，也有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限。為了保護(hù)內(nèi)核的安全，現(xiàn)在操作系統(tǒng)一般都強(qiáng)制用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，所以操作系統(tǒng)把內(nèi)存空間劃分成了兩個(gè)部分：內(nèi)核空間和用戶空間。

這就好比，飯店老板把整個(gè)飯店劃分成兩個(gè)部分：大廳和廚房。大廳用于顧客吃飯，廚房用于廚師做飯，廚房的門上面一般還會(huì)寫著：“廚房重地，閑人免進(jìn)”，也就是顧客一般不具有直接使用廚房的特性。

所以，當(dāng)我們使用 TCP 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要先將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間，再由內(nèi)核操作將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間發(fā)送出去；當(dāng)我們使用 TCP 讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)先在內(nèi)核空間準(zhǔn)備好，再?gòu)膬?nèi)核空間拷貝到用戶空間供用戶進(jìn)程使用。

這就好比，當(dāng)我們?cè)陲埖瓿燥埖臅r(shí)候，先在客廳點(diǎn)好菜，再由服務(wù)員把我們的菜單傳遞進(jìn)廚房；當(dāng)廚房做好了菜，再?gòu)膹N房由服務(wù)員傳遞到客廳一樣。

所以，一次 IO 的讀取操作分為兩個(gè)階段（寫入操作類似）：

• 等待內(nèi)核空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

• 數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間

為此，Unix 根據(jù)這兩個(gè)階段又把 IO 分成了以下五種 IO 模型：

• 阻塞型 IO

• 非阻塞型 IO

• IO 多路復(fù)用

• 信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO

• 異步 IO

下面我們一一道來(lái)。

阻塞型 IO

阻塞型 IO，即當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，一直阻塞直到數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間為止才返回。

阻塞型 IO 在兩個(gè)階段是連續(xù)阻塞著的，直到數(shù)據(jù)返回。

這就好比，你去路邊買快餐，這家店比較低級(jí)，只有一輛車一個(gè)老板。點(diǎn)完餐后，你傻傻地看著老板開始打菜，然后拿給你。整個(gè)過(guò)程中，你只能看著老板打完菜并拿給你，這兩個(gè)階段你都是阻塞的。

非阻塞型 IO

非阻塞型 IO，用戶進(jìn)程不斷詢問(wèn)內(nèi)核，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了嗎？一直重試，直到內(nèi)核說(shuō)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，然后把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，返回成功，開始處理數(shù)據(jù)。

非阻塞型 IO 第一階段不阻塞，第二階段阻塞。

這就好比，你去小炒店，這家店高級(jí)一點(diǎn)，有獨(dú)立的店面。點(diǎn)完餐后，你可以邊玩手機(jī)邊等。隔了一會(huì)你跑過(guò)去問(wèn)一下老板 “我的菜好了沒(méi)”，老板說(shuō) “還沒(méi)好”；隔一會(huì)你又跑過(guò)去問(wèn)了下 “我的菜好了沒(méi)”，老板說(shuō) “還沒(méi)有”；幾次后，你又說(shuō) “老板，我的菜好了沒(méi)”，老板說(shuō) “來(lái)了來(lái)了”，然后你看著他把菜端到你面前。整個(gè)過(guò)程中，詢問(wèn) “菜好了沒(méi)” 你不用阻塞，老板立即回應(yīng)你，你可以立即玩手機(jī)，但是端菜的時(shí)候你是傻傻地看著他端的，這期間你無(wú)法玩手機(jī)，你是阻塞的。

IO 多路復(fù)用

IO 多路復(fù)用，多個(gè) IO 操作共同使用一個(gè) selector（選擇器）去詢問(wèn)哪些 IO 準(zhǔn)備好了，selector 負(fù)責(zé)通知那些數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了的 IO，它們?cè)僮约喝フ?qǐng)求內(nèi)核數(shù)據(jù)。

IO 多路復(fù)用，第一階段會(huì)阻塞在 selector 上，第二階段拷貝數(shù)據(jù)也會(huì)阻塞。

這就好比，你去川菜館吃飯，這家飯店比較大，人也多，還有個(gè)漂亮的服務(wù)員。你點(diǎn)完菜后，勾搭了一下服務(wù)員 “美女，我點(diǎn)個(gè)辣子雞丁，好了通知我一下哦”，美女也沒(méi)搭理你。其它人也是這么勾搭美女的。然后，美女忙得不可開交，隔一會(huì)去廚房看一下，哪些菜好了，每次出來(lái)，都會(huì)喊 “那誰(shuí)誰(shuí)誰(shuí)，你的啥啥菜好了，自己過(guò)來(lái)端一下?！?。整個(gè)過(guò)程中，美女去廚房看菜是阻塞的，因?yàn)闆](méi)有菜好的時(shí)候她還要等一會(huì)；你跑過(guò)去端菜也是阻塞的。一部分阻塞在美女身上，一部分阻塞在你身上。

信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO

信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO，用戶進(jìn)程發(fā)起讀取請(qǐng)求之前先注冊(cè)一個(gè)信號(hào)給內(nèi)核說(shuō)明自己需要什么數(shù)據(jù)，這個(gè)注冊(cè)請(qǐng)求立即返回，等內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，主動(dòng)通知用戶進(jìn)程，用戶進(jìn)程再去請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)，需要等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間再返回。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)，第一階段不阻塞，第二階段阻塞。

這就好比，你去 “金拱門” 吃麥當(dāng)勞一樣。你在旁邊的機(jī)器上點(diǎn)完餐后出來(lái)一張小票 “1024 號(hào)”，然后你邊玩手機(jī)邊等。過(guò)了一會(huì)，喇叭喊，“1024 號(hào)，請(qǐng)取餐。1024 號(hào)，請(qǐng)取餐?！?，然后，你屁顛屁顛地跑過(guò)去取餐。整個(gè)過(guò)程中，點(diǎn)餐是立即返回的，之后想干啥干啥，不阻塞（也就是說(shuō)你不用傻等著餐做好）；取餐的過(guò)程你需要從柜臺(tái)端到你的位置上，是阻塞的。

異步 IO

異步 IO，用戶進(jìn)程發(fā)起讀取請(qǐng)求后立馬返回，當(dāng)數(shù)據(jù)完全拷貝到用戶空間后通知用戶直接使用數(shù)據(jù)。

異步 IO，兩個(gè)階段都不阻塞。

這就好比，你去吃 “漁粉”。掃碼點(diǎn)餐后，你完全不用管，過(guò)了一會(huì)，一個(gè)大媽把飯菜端到你面前，還貼心地說(shuō)了句 “客官，請(qǐng)慢用”，然后你幸福地吃下了這碗 “金湯漁粉”。整個(gè)過(guò)程中，你既不用傻等著漁粉做好，也不用看著大媽把菜端到你面前或者你自己去端，完全不阻塞，純異步。所以，這種體驗(yàn)是最好的。

所以，如果把吃飯的過(guò)程分成兩個(gè)部分：“準(zhǔn)備飯菜” 和 “端菜”，那么：

1. 如果你傻等著兩個(gè)階段完成，就是阻塞 IO；

2. 如果你隔一會(huì)詢問(wèn)一下 “菜做好了沒(méi)”，期間你可以玩手機(jī)，但是端菜的時(shí)候你傻傻地看著老板端過(guò)來(lái)，就是非阻塞 IO；

3. 如果你和其他人都委托服務(wù)員幫你們隔一會(huì)看一下 “菜做好了沒(méi)”，但是端菜需要自己去端，就是 IO 多路復(fù)用；

4. 如果是機(jī)器點(diǎn)餐，機(jī)器喊話取餐，就是信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO；

5. 如果是掃碼點(diǎn)餐，自動(dòng)上餐，就是異步 IO；

阻塞與非阻塞

阻塞，是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會(huì)被掛起，直到調(diào)用結(jié)果返回。比如，你傻等著端菜結(jié)束，你就是阻塞的。

非阻塞，是指不能立即得到結(jié)果之前，當(dāng)前線程不被掛起，而是可以繼續(xù)做其它的事。比如，你邊玩手機(jī)邊等飯菜準(zhǔn)備好，你就是非阻塞的。

簡(jiǎn)單點(diǎn)，就是阻塞調(diào)用你必須掛起傻等著結(jié)果返回，非阻塞調(diào)用你不關(guān)心結(jié)果，調(diào)用之后你愛(ài)干嘛干嘛。

同步與異步

關(guān)于同步與異步，我們直接看看 POSIX 中的定義：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

同步，調(diào)用者會(huì)被阻塞直到 IO 操作完成，調(diào)用的結(jié)果隨著請(qǐng)求的結(jié)束而返回。

異步，調(diào)用者不會(huì)被阻塞，調(diào)用的結(jié)果不隨著請(qǐng)求的結(jié)束而返回，而是通過(guò)通知或回調(diào)函數(shù)的形式返回。

阻塞 / 非阻塞，更關(guān)心的是當(dāng)前線程是不是被掛起。

同步 / 異步，更關(guān)心的是調(diào)用結(jié)果是不是隨著請(qǐng)求結(jié)束而返回。

這里的阻塞是指整個(gè) IO 過(guò)程中是否有阻塞，更確切地說(shuō)是 recvfrom 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是否會(huì)阻塞，在我們的案例中，可以理解為 “端菜” 這個(gè)行為對(duì)于你來(lái)說(shuō)是不是阻塞的。

所以，阻塞型 IO、非阻塞型、IO 多路復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO 都是同步 IO，只有最后一種才是異步 IO。

為什么不選擇異步 IO？

通過(guò)上面的分析，異步 IO 才是最牛的 IO 模型，那么，我們?yōu)槭裁床贿x擇異步 IO 呢？

那是因?yàn)楫惒?IO 在 linux 上還不成熟，而我們的服務(wù)器通常都是 linux，所以現(xiàn)在大部分框架都不是很支持異步 IO，包括 Netty 之前實(shí)現(xiàn)了一版，但是后面給廢棄掉了。

“IO的五種模型是什么”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！