# I/O 模型

Unix 包含物种 IO 模型，分别是：阻塞 IO 、非阻塞 IO 、 IO 多路复用、信号驱动 IO 、异步 IO 。和 Java 的 IO 模型有下列对应（不严格）

# 内核态与用户态

我们将文件从磁盘加载到内存中。操作系统是怎么做的？

• 进程陷入内核态，通过系统调用执行文件阅读。
• 系统调用结束后，返回用户态。
  所以 Unix 的五种 IO 模型的不同指出，就是这两个步骤的处理流程不同。

详细可以参考这篇文章：从根上理解用户态与内核态。

# 阻塞式 I/O

应用进程被阻塞，知道数据复制到应用进程缓冲区才返回。应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。

# 非阻塞式 I/O

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询 ( polling )。

# I/O 多路复用

I/O 多路复用是指用一个线程检查多个文件描述符（Socket）的状态。

类似与非阻塞，只不过轮询不是由用户线程去执行，而是由内核去轮询，内核监听程序监听到数据准备好后，调用内核函数复制数据到用户态。 select 系统调用（poll，充当代理类的角色，不断轮询注册到它这里的所有需要 IO 的文件描述符，有结果时，把结果告诉被代理的 recvfrom 函数，再去拿数据。

一个线程可以对多个 IO 端口进行监听，当 socket 有读写事件时分发到具体的线程进行处理。模型如下所示：

我们着重讲解一下多路复用，这在之后讲解 Reactor 模型会用到。传统的 I/O 有个很大的缺点就是，为每一个客户端连接都准备一个线程，如果客户端是长连接（如果客户端还不发送数据，服务端线程会一直阻塞在 read 那里），线程也就要一直维护。随着这样的客户端连接越来越多，就会导致服务器资源耗尽。一个客户端会有很多种状态：读写，解码，编码，连接等，我们通过 Selector 选择器轮询这些客户端，只有客户端在对应的状态才会创建线程进行处理（比如真正开始读写才会创建线程执行，当然，这些由线程池维护）。

关于复用的几个系统调用（看不懂就算了）：

# select

select 函数监视的文件描述符分 3 类，分别是 writefds、readfds、和 exceptfds。调用后 select 函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据 可读、可写、或者有 except），或者超时（timeout 指定等待时间，如果立即返回设为 null 即可），函数返回。当 select 函数返回后，可以通过遍历 fdset，来找到就绪的描述符。

# poll

poll 本质上和 select 没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个 fd 对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有 fd 后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历 fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

# epoll

epoll 支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些 fd 刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll 使用 “事件” 的就绪通知方式，通过 epoll_ctl 注册 fd，一旦该 fd 就绪，内核就会采用类似 callback 的回调机制来激活该 fd，epoll_wait 便可以收到通知。

# 信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。

缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知。

# 异步 I/O

在上面四种 I/O 模型中我们看到，进程在调用 recvfrom 到处理数据报时都会被阻塞，而异步 I/O 做到了真正的非阻塞。异步 I/O 也是依靠信号通知，但是通知的时候并不是数据报准备好了，而是 I/O 操作已经完成。

主进程只负责做自己的事情，等 IO 操作完成 (数据成功从内核缓存区复制到应用程序缓冲区) 时通过回调函数对数据进行处理。

相对于同步 IO ，异步 IO 不是顺序执行。用户进程进行 aio_read 系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到 socket 数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。 IO 两个阶段，进程都是非阻塞的。

要实现真正的异步 I/O ，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O 。

# 参考

Java 全栈知识体系：https://pdai.tech/md/java/io/java-io-model.html

Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.

Boost application performance using asynchronous I/O (opens new window)

Synchronous and Asynchronous I/O (opens new window)

Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解 (opens new window)

poll vs select vs event-based (opens new window)

select / poll / epoll: practical difference for system architects (opens new window)

unix 网络编程 第一卷

五种 IO 模型介绍和对比

一文读懂高性能网络编程中的 I/O 模型

聊聊 IO 多路复用之 select、poll、epoll 详解