網(wǎng)絡(luò)編程之五種I/O模型

一.概述：

在網(wǎng)絡(luò)編程中，阻塞、非阻塞、同步、異步經(jīng)常被提到，下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

五種I/O模型分別是阻塞式I/O，非阻塞式I/O，信號(hào)驅(qū)動(dòng)，I/O復(fù)用（這四種是同步I/O），異步I/O。

我來(lái)舉一個(gè)例子來(lái)解釋這五種I/O模型：

有A，B，C，D，E五個(gè)人在釣魚(yú)：
A用的是最老式的魚(yú)竿，所以呢，得一直守著，等到魚(yú)上鉤了再拉桿。（阻塞式I/O）

B呢，它的魚(yú)竿比較新，不怕魚(yú)上鉤后把魚(yú)竿拽走，所以他一邊看手機(jī)，一邊時(shí)不時(shí)看一下魚(yú)竿是否有魚(yú)上鉤，有的話就迅速拉魚(yú)竿。（非阻塞式I/O）

C的魚(yú)竿有個(gè)功能，能夠顯示是否有魚(yú)上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會(huì)再看看有沒(méi)有魚(yú)上鉤，有的話就迅速拉桿。（信號(hào)驅(qū)動(dòng)）

D用的魚(yú)竿和C差不多，但他想了一個(gè)好辦法，就是同時(shí)放好幾根魚(yú)竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說(shuō)魚(yú)上鉤了，它就將對(duì)應(yīng)的魚(yú)竿拉起來(lái)；（I/O復(fù)用）

E是個(gè)有錢人（有錢人了不起?。?，干脆雇了一個(gè)人幫他釣魚(yú)，一旦那個(gè)人把魚(yú)釣上來(lái)了，就給E發(fā)個(gè)短信。（異步I/O）

下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

二.I/O操作過(guò)程：

首先，進(jìn)行I/O操作涉及到了硬件，所以就會(huì)和操作系統(tǒng)打交道。（從網(wǎng)卡這兩個(gè)讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中是操作系統(tǒng)做的）所以，先解釋以下我理解的I/O過(guò)程（總的來(lái)說(shuō)是   等數(shù)據(jù) 和  數(shù)據(jù)搬遷   這兩個(gè)過(guò)程）

首先，通過(guò)系統(tǒng)給我們的API函數(shù)調(diào)用I/O操作（此時(shí)在用戶態(tài)），這個(gè)函數(shù)先等待I/O緩存中有數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)I/O緩存（此時(shí)在內(nèi)核態(tài)），當(dāng)I/O緩存中接收到數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)先通知這個(gè)函數(shù)調(diào)用（進(jìn)入用戶態(tài)），然后這個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)中會(huì)調(diào)用一些已經(jīng)包裝好的函數(shù)，“ 這些 ”函數(shù)會(huì)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中拷貝到用戶緩存區(qū)（先到內(nèi)核態(tài)，再到用戶態(tài)），然后這個(gè)函數(shù)就會(huì)返回。

具體如下圖：

三.I/O操作中的阻塞、非阻塞、同步、異步：

（1）.同步：同步就是在一個(gè)功能調(diào)用時(shí)，在這個(gè)調(diào)用沒(méi)有得到結(jié)果之前，這個(gè)調(diào)用不會(huì)返回。（在I/O操作中，如調(diào)用read函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)被阻塞在read函數(shù)調(diào)用處，但內(nèi)核一直在做與read相關(guān)的事情，也就是這個(gè)函數(shù)是激活的（會(huì)占用cpu），只是從表面上看函數(shù)還沒(méi)有返回而已）。

（2）.阻塞：阻塞調(diào)用就是調(diào)用一個(gè)函數(shù)，這個(gè)調(diào)用結(jié)果沒(méi)有得到結(jié)果之前，執(zhí)行這個(gè)函數(shù)的線程會(huì)被掛起（這個(gè)狀態(tài)下，cpu不會(huì)給該函數(shù)分配時(shí)間片），直到得到結(jié)果后才返回。

（3）.非阻塞：是指如果一個(gè)函數(shù)不能立刻得到結(jié)果，這個(gè)函數(shù)不會(huì)阻塞該線程而立即返回。

（4）.異步：是指在一個(gè)功能調(diào)用時(shí)，這個(gè)調(diào)用不會(huì)立即得到結(jié)果，也不會(huì)阻塞該線程，這個(gè)調(diào)用所在的線程會(huì)繼續(xù)執(zhí)行其它事情，而這個(gè)功能是由其它執(zhí)行部件來(lái)完成，當(dāng)這個(gè)部件執(zhí)行完該功能時(shí)，通過(guò)狀態(tài)，通知來(lái)通知調(diào)用者，或通過(guò)回調(diào)函數(shù)處理這個(gè)調(diào)用。

執(zhí)行部件和調(diào)用者可以通過(guò)三種途徑返回結(jié)果：
a.   狀態(tài)、
b.   通知、
c.   回調(diào)函數(shù)。
使用哪一種依賴于執(zhí)行部件的實(shí)現(xiàn)，除非執(zhí)行部件提供多種選擇，否則不受調(diào)用者控制。

a. 如果執(zhí)行部件用狀態(tài)來(lái)通知，
    那么調(diào)用者就需要每隔一定時(shí)間檢查一次，效率就很低

b. 如果是使用通知的方式，
    效率則很高，因?yàn)閳?zhí)行部件幾乎不需要做額外的操作。

c. 至于回調(diào)函數(shù)，
    和通知沒(méi)太多區(qū)別。

四.五種I/O模型：（理解了上面的知識(shí)，下面應(yīng)該比較容易理解了）

（1）.阻塞式I/O：

  應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)IO函數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞，等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。 如果數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，一直等待….數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，IO函數(shù)返回成功指示。

如下圖：

（2）.非阻塞式I/O：

在非阻塞I/O中，一定要把一個(gè)I/O操作函數(shù)放在一個(gè)死循環(huán)中，直到這個(gè)I/O函數(shù)返回一個(gè)正確值時(shí)才跳出這個(gè)循環(huán)。

我們把一個(gè)SOCKET接口設(shè)置為非阻塞就是告訴內(nèi)核，當(dāng)所請(qǐng)求的I/O操作無(wú)法完成時(shí)，不要將線程睡眠，而是返回一個(gè)錯(cuò)誤。這樣我們的I/O操作函數(shù)將不斷的測(cè)試數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，如果沒(méi)有準(zhǔn)備好，繼續(xù)測(cè)試，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。在這個(gè)不斷測(cè)試的過(guò)程中，會(huì)大量的占用CPU的時(shí)間。

如下圖：

（3）.信號(hào)驅(qū)動(dòng)：

 首先要允許接口進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O，然后安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，線程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，線程會(huì)收到一個(gè)SIGIO信號(hào)，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

如下圖：

（4）.I/O復(fù)用：

I/O 復(fù)用模型會(huì)用到select、poll、epoll函數(shù)，這幾個(gè)函數(shù)也會(huì)使進(jìn)程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的，這幾個(gè)函數(shù)可以同時(shí)阻塞多個(gè)I/O操 作。而且可以同時(shí)對(duì)多個(gè)讀操作，多個(gè)寫操作的I/O函數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫時(shí)，才真正調(diào)用I/O操作函數(shù)。（比阻塞式I/O并沒(méi)有上面優(yōu)越性，但它實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)I/O端口的監(jiān)聽(tīng)）

如下圖：

（5）.異步I/O：

當(dāng)一個(gè)異步過(guò)程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實(shí)際處理這個(gè)調(diào)用的部件在完成后，通過(guò)狀態(tài)、通知和回調(diào)來(lái)通知調(diào)用者的輸入輸出操作。

如下圖：

六.五種I/O模型比較：

七.總結(jié)：

理解五種I/O模型應(yīng)該先理解I/O操作過(guò)程，并理解阻塞，非阻塞，同步，異步的一些知識(shí)。

I/O操作要和硬件打交道，所以會(huì)I/O操作過(guò)程會(huì)涉及到操作系統(tǒng)。

處理I/O操作分為兩個(gè)過(guò)程，一是等待數(shù)據(jù)，二是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中搬到用戶空間。

這五中I/O模型的不同之處是在等待數(shù)據(jù)的方式上，在第二個(gè)過(guò)程中是一樣的，都是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中搬到用戶空間，然后進(jìn)行相關(guān)操作。