如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、異步

本篇內(nèi)容主要講解“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、異步”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、異步”吧!

在Unix網(wǎng)絡(luò)編程中，史蒂文斯給出了5種IO編程模型，其中最重點(diǎn)、也最常用的是多路復(fù)用模型(Multiplexing)。 這5種模型分別為：

• 阻塞式IO

• 非阻塞式IO

• IO多路復(fù)用(multiplexing io)，基于select/poll/epoll

• 信號驅(qū)動(dòng)式IO SIGIO

• 異步IO（posix aio_abi和libaio）

想要說明清楚這幾個(gè)模型，一個(gè)很好的方式是把網(wǎng)絡(luò)IO分為兩個(gè)階段來理解。第一階段，從客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求開始，到數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)，完全準(zhǔn)備好為止。第二階段，數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到程序緩存（即用戶空間），這個(gè)階段才是應(yīng)用真正執(zhí)行recvfrom系統(tǒng)調(diào)用的階段。在第一階段，程序要么阻塞在recvfrom調(diào)用上，要么阻塞在select之類的方法上，或者干其他的事情去了（輪詢、異步等）。

有了這個(gè)基本認(rèn)知，我們再來逐個(gè)審視這幾種模型。

阻塞式I/O模型

阻塞式IO（blocking I/O）是最基本的IO模型，也是日常使用中默認(rèn)的模式。

如上圖，應(yīng)用發(fā)出請求，試圖執(zhí)行recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，以獲取數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好（也許服務(wù)端才開始處理請求），當(dāng)前請求線程被阻塞，只能傻傻的等待，直到數(shù)據(jù)可讀或者拋出異常。如果是單線程應(yīng)用，主線程掛起，CPU空置。如果是多線程，當(dāng)前線程掛起，CPU切換時(shí)間片去執(zhí)行其他線程。

非阻塞式IO模型

一般的Socket對象都會有一個(gè)setblocking(False)或者ConfigureBlocing(false)之類的方法，將當(dāng)前IO線程設(shè)置成非阻塞模式。

如圖，當(dāng)socket設(shè)置為nonblocking時(shí)，在一階段（數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，還記得前面說的二階段IO么，這里派上了用場）線程會不斷的發(fā)起recvfrom輪詢，如果還沒有準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，會得到一個(gè)EWouldBLOCK錯(cuò)誤信號，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，開始真正執(zhí)行recvfrom拉取數(shù)據(jù)。輪詢會極大的消耗CPU時(shí)間，所以這種模型極少用到。

IO多路復(fù)用

I/O復(fù)用，即I/O multiplexing，這是一種基于select函數(shù)的編程模型，也是最常用的一種。有些人喜歡把它稱作異步阻塞模型，我覺得這種叫法很容易讓人產(chǎn)生誤解，實(shí)際上這個(gè)模型和所謂的異步I/O沒有半毛錢關(guān)系。

如上圖，在第一階段，我們可以通過select函數(shù)注冊多路IO對象。每一個(gè)注冊的IO對象都會阻塞在select函數(shù)上，直到IO對象的狀態(tài)發(fā)生改變。此時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好讀/寫。調(diào)度器遍歷這些IO對象，返回準(zhǔn)備好讀/寫的IO對象。緊接著進(jìn)入第二階段，開始對準(zhǔn)備好的IO對象調(diào)用recvfrom函數(shù)。

對于多路復(fù)用模型，Java NIO基于select庫實(shí)現(xiàn)了調(diào)度器Selector，python的selectors模塊分別提供了基于select、poll以及epoll庫的封裝對象。

通過以上過程，我們還可以看到，其實(shí)IO多路復(fù)用跟阻塞IO很相似，基本兩個(gè)階段都在阻塞狀態(tài)。只不過前者第一階段阻塞在select函數(shù)上，第二階段阻塞在recvfrom調(diào)用上；而后者全程阻塞在recvfrom上。而且IO多路復(fù)用由于需要注冊、遍歷IO對象，其實(shí)涉及到更多的步驟開銷。但是多路復(fù)用的優(yōu)勢正在于可以同時(shí)對接多個(gè)IO對象，結(jié)合多線程技術(shù)，可以帶來很大的靈活性。

異步IO模型

前面提到的三種模型，本質(zhì)上在真正的IO階段（第二階段），都會阻塞。而在異步IO模型中，應(yīng)用發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，不再等待，直接返回。期間線程也不會阻塞。之后由內(nèi)核處理兩個(gè)階段IO，然后給應(yīng)用發(fā)送信號，程序直接獲取數(shù)據(jù)。

基于Unix系統(tǒng)有一個(gè)POSIX異步IO庫——aio_abi，以及一個(gè)第三方庫aiolib，后者可能更加知名。異步IO模型非常復(fù)雜，一般很少見到。另外我也有一些疑惑，python中的asyncio包提出的協(xié)程概念，和這里的異步IO是否為同一件事物。史蒂文斯在這里描述的異步明顯需要基于系統(tǒng)內(nèi)核的相關(guān)實(shí)現(xiàn)，和asyncio這種單純的編程概念，大概說的不是一個(gè)層級的東西吧。

隱喻

最后還是說一個(gè)比喻吧。如果把IO模型比作網(wǎng)購，在你提交訂單的一刻到快遞員將貨物帶到你家小區(qū)門口期間，可看作一階段IO。之后小哥給你打電話：“你的快遞，快開門”，這相當(dāng)于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并發(fā)送了通知。之后，你跑到門口將快遞一件一件搬到家里，這是第二階段。

阻塞模型相當(dāng)于你提了訂單，就不吃不喝，只等著快遞，直到小哥給你打電話，然后吭哧吭哧把快遞搬到家，你才開始吃喝、睡覺等。非阻塞模型下，你提交訂單后就開始自由行動(dòng)了。但是仍然會每隔幾分鐘跑到小區(qū)門口看看快遞到了沒（輪詢），一直把自己搞得精疲力盡。直到小哥給你打電話，你把快遞搬回家才算消停。多路復(fù)用模型下，你同時(shí)提交了多個(gè)訂單，但不再傻傻的朝門口來回跑了，而是緊緊盯著菜鳥裹裹信息（阻塞在select），直到其上顯示至少有一個(gè)快遞到了，你會嗖的跑過去，當(dāng)然，快遞仍然自己搬（recvfrom阻塞）。異步模型下，你雇了一個(gè)萬能管家吉福斯，你只要下完訂單，就不用操心了，他會打點(diǎn)好一切，最后他會把快遞按照你們約定的地點(diǎn)、方式，直接送到你的手上。

到此，相信大家對“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、異步”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！