长知识！详解Linux五大网络IO模型

什么是IO？

IO模型中，先讨论下什么是IO？

IO在计算机中指的就是Input/Output（输入/输出）。Input/Output（输入/输出）的内容当然就是data（数据）了。

那么数据被Input到哪，Output到哪呢？

• Input（输入）数据到内存中，Output（输出）数据到IO设备（磁盘、网络等需要与内存进行数据交互的设备）中；

• IO设备与内存直接的数据传输通过IO接口，操作系统封装了IO接口，我们编程时可以直接使用

阻塞/非阻塞与同步/异步

阻塞/非阻塞

针对的对象是调用者自己本身的情况

☞ 阻塞

指调用者在调用某一个函数后，一直在等待该函数的返回值，线程处于挂起状态。

☞ 非阻塞

指调用者在调用某一个函数后，不等待该函数的返回值，线程继续运行其他程序（执行其他操作或者一直遍历该函数是否返回了值）

同步/异步

针对的对象是被调用者的情况

☞ 同步

指的是被调用者在被调用后，操作完函数所包含的所有动作后，再返回返回值

☞ 异步

指的是被调用者在被调用后，先返回返回值，然后再进行函数所包含的其他动作。

五种IO模型

recvfrom/recv都是操作系统的内核函数，用于从（已连接）socket上接收数据，并捕获数据发送源的地址。

recv函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buff, size_t nbytes, int flags)

sockfd：接收端套接字描述符

buff：用来存放recv函数接收到的数据的缓冲区

nbytes：指明buff的长度

flags：一般置为0

对于一个应用程序即一个操作系统进程来说，它既有内核空间(与其他进程共享),也有用户空间(进程私有)，它们都是处于虚拟地址空间中。用户进程是无法访问内核空间的，它只能访问用户空间，通过用户空间去内核空间复制数据，然后进行处理。

阻塞io(同步io)：

发起请求就一直等待，直到数据返回。好比你去商场试衣间，里面有人，那你就一直在门外等着。(全程阻塞)

BIO程序流

应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。如果数据没有准备好，一直等待….数据准备好了，从内核拷贝到用户空间,IO函数返回成功指示。

当调用recv()函数时，系统首先查是否有准备好的数据。如果数据没有准备好，那么系统就处于等待状态。当数据准备好后，将数据从系统缓冲区复制到用户空间，然后该函数返回。在套接应用程序中，当调用recv()函数时，未必用户空间就已经存在数据，那么此时recv()函数就会处于等待状态。

非阻塞io(同步io)：

不管有没有数据都返回，没有就隔一段时间再来请求，如此循环。好比你要喝水，水还没烧开，你就隔段时间去看一下饮水机，直到水烧开为止。(复制数据时阻塞)

非阻塞IO程序流

非阻塞IO通过进程反复调用IO函数（多次系统调用，并马上返回）；在数据拷贝的过程中，进程是阻塞的；

我们把一个SOCKET接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

io复用(同步io)：

I/O是指网络I/O,多路指多个TCP连接(即socket或者channel）,复用指复用一个或几个线程。意思说一个或一组线程处理多个连接。比如课堂上学生做完了作业就举手，老师就下去检查作业。(对一个IO端口，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性；关键是能实现同时对多个IO端口进行监听，可以同时对多个读/写操作的IO函数进行轮询检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。)　

IO多路复用程序流

select和epoll；对一个socket，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性；

关键是能实现同时对多个socket进行处理。

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block；而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket；当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候，用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

（select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）

信号驱动io(同步io)：

事先发出一个请求，当有数据后会返回一个标识回调，这时你可以去请求数据。好比银行排号，当叫到你的时候，你就可以去处理业务了(复制数据时阻塞)。

信号驱动IO程序流

套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。
当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

两次调用，两次返回；

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

异步io：

发出请求就返回，剩下的事情会异步自动完成，不需要做任何处理。好比有事秘书干，自己啥也不用管。　　

当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。

实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作。

总结：

五种IO的模型：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO和异步IO；前四种都是同步IO，在内核数据copy到用户空间时都是阻塞的。

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果会那就是传统的阻塞IO，如果不会那就是非阻塞IO。

同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO；如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。