網(wǎng)絡編程中常見的5種I/O模型

I/O模型

Unix下共有五種I/O模型：

1>:阻塞I/O

2>:非阻塞I/O

3>:I/O多路復用

4>:信號驅(qū)動I/O

5>:異步I/O

其中前四種是同步I/O模型，只有第五種是異步的。

同步與異步：

這里的同步和兩個實體之間通信中的同步的概念是不一樣的，這里的同步是指關于這個I/O中的一系列動作都需要自己來完成，無論你是原地等待事件的發(fā)生（阻塞）還是當某個事件已經(jīng)準備好的時候你去完成后面的的動作（非阻塞）都屬于同步。

異步，它是指是調(diào)用另一個執(zhí)行者去完成，當執(zhí)行者發(fā)現(xiàn)要處理的時間后調(diào)用你，你再完成這件事情，執(zhí)行的過程和你的動作是不牽扯的。

阻塞與非阻塞：

阻塞是指，等待某個事件的發(fā)生，如果它沒有發(fā)生則一直等待下去直到事件發(fā)生為止。

非阻塞，不需要死死的等待，當它有返回的時候再去處理。

1>阻塞I/O

使用的I/O函數(shù)，導致程序阻塞，等待數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒有準備好則一直等待。

例如我們使用的阻塞式的socket創(chuàng)建套接字的時候，調(diào)用accept/recvfrom/connect...等都會是阻塞式的等待連接，請求或者數(shù)據(jù)的到來

阻塞式的函數(shù)實現(xiàn)起來很簡單，但它有很多的問題，首先作為一個網(wǎng)絡的服務器，阻塞式的等待會浪費大量的資源和時間，當服務器調(diào)用函數(shù)sendto給遠端的一個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時，這時候不做其他的事情那么往后的動作都堵塞在后面，這樣顯然是不合適的，解決這種問題的方法往往是創(chuàng)建一個進程或者線程去解決這件事，因為進程的開銷遠遠地大于線程的開銷，所以使用多線程的方法解決是很行得通的。

阻塞式的I/O的好處就是它非常的穩(wěn)定，他能保證連接保證接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的確定性，這是大多大的互聯(lián)網(wǎng)公司使用多線程的原因，并且使用線程池也會大大增加線程開啟的效率。

2>非阻塞式I/O

調(diào)用socket函數(shù)并將其設置為非阻塞模式，設置方式，linux下調(diào)用fcntl()函數(shù)。

非阻塞方式下，當前執(zhí)行流不再以睡眠的方式來等待請求或者數(shù)據(jù)的到來，而采用輪詢的方式，這種方式的運作流程是這樣的，每隔一個時間段便返回一次，如果有數(shù)據(jù)到來則返回，如果沒有，則返回一個錯誤碼WSAEWOULDBLOCK，我們需要不斷的用循環(huán)來等待數(shù)據(jù)的成功返回，這個過程往往會占用大量的CPU。

非阻塞的缺點，雖然他不用再使等待太僵硬，但它不可避免的一次只能等待一個事件的到來。

3>信號驅(qū)動I/O

在TCPsocket中發(fā)生以下事件均會產(chǎn)生SIGIO信號，因為在同一個時候產(chǎn)生這種信號的原因太多我們不能區(qū)分到底是哪一種情況產(chǎn)生的SIGIO信號，所以在TCP中信號驅(qū)動是不太適合使用的，相反在UDP中卻比較適合使用。

信號驅(qū)動的工作方式如下圖所示

4>I/O多路復用。

這種方式下的工作方式就比較特別了，按TCPsocket來舉例，他會當listen到一個新的鏈接的時候?qū)⑺诺揭粋€集合中，當這個集合中的套接字有讀的情況，我們便讀取，有寫的情況，我們便寫，它是非阻塞I/O和信號驅(qū)動I/O再加上可以等待多個，這三個的合體，常見的函數(shù)有select，poll，epoll等，這些函數(shù)會在后面的博客中細細講述。

它的缺點就是，無論是上面所述的哪種函數(shù)，每次發(fā)送或者接受一個數(shù)據(jù)都會進入兩次內(nèi)核與用戶的轉(zhuǎn)換。

I/O多路復用的模型如下圖

5>異步I/O

當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者的輸入輸出操作

5種I/O模型的對比如下圖

可以看出最好的方式是異步I/O了當然它實現(xiàn)起來比較負責，阻塞I/O的可靠性最好。