IO 模型简介(理解阻塞、非阻塞、同步、异步)

IO 模型简介

IO

CPU

内存

Linux

最近工作中接触到关于网络编程的一些东西，发现对于网络、IO编程、socket、进程、线程、协程、TCP/IP等基本知识理解不够深入。所以需要从头到尾总结一下。

什么是 IO

IO 的英文来源是 Input/Output，即输入/输出，我们的程序和数据在运行过程中会在内存中驻留，由 CPU 来计算，涉及到数据交换的地方，就需要IO接口，IO 包括网络 IO, 内存 IO,磁盘IO等。

IO编程中，Stream（流）是一个很重要的概念，可以把流想象成一个水管，数据就是水管里的水，但是只能单向流动。Input Stream就是数据从外面（磁盘、网络）流进内存，Output Stream就是数据从内存流到外面去。对于浏览网页来说，浏览器和服务器之间至少需要建立两根水管，才可以既能发数据，又能收数据。（摘自http://www.liaoxuefeng.com/）

IO 模型大概分为

阻塞 IO（blocking IO）

非阻塞 IO（non-blocking IO）

IO 复用（IO multiplexing）

异步 IO（asynchronous IO）

同步 IO（synchronous IO）

但是这几种 IO 模型到底是什么，又分别有什么区别。这里我搜索了一些资料并融入自己的理解详细解释一下。

阻塞 IO（blocking IO）

这里先从阻塞 IO 说起，因为 Linux 中默认的网路模型基本都是阻塞 IO。根据调用关系粗略画的时序图如下：



当用户进程调用 recvform 这个系统调用，linux 内核 kernel 开始工作：准备接受数据， 数据一开始往往还没有到达，（例如，网络IO还没有接受到一个完整的 UDP包），这个时候 kernel 需要等待一段时间来接受完数据。在这个过程中，用户进程就会什么也做不了，只能等 kernel 接受完数据并拷贝数据到用户内存中，然后返回消息给用户进程，进程才能继续操作。对于用户进程来说，等待 kernel 返回数据的过程就叫阻塞（block）。等数据返回才能解除阻塞。

所以，阻塞 IO 模型的特点就是在 IO 执行的输入和输出，都被阻塞掉了。

打个比喻：去餐厅吃饭，点餐完，你在柜台一直等饭，柜台接受到你的订单开始准备做饭，这时候你只能一直等哪里也不能去，就像是被阻塞，等饭出来了，你拿着饭才走。解除阻塞。

非阻塞 IO non-blocking IO

了解了阻塞 IO，我们来看看非阻塞IO模型的具体流程。还是以用户进程的一次调用为例，调用时序图大致如下：



当用户进程调用系统调用，kernel 内核开始准备接受数据，如果一开始没有接受到数据，会立刻返回 error 给用户进程，用户进程就知道数据还没有准备好，就会再次发送调用，直到数据准备好，然后立刻会将数据拷贝到内存中，并返回信息给用户进程，在这个过程中用户进程并不需要等待，每次调用开始到结束的过程，如果出错，kernel 都会立刻返回 error 消息给它。这种模型被称为非阻塞 IO 模型。

非阻塞IO 模型的特点是不需要等待，但是需要用户进程不断的去调用。

需要注意的是， 在我的理解下，在系统调用时，如果没有准备好数据就立刻返回给进程 error 信息，这个过程确实是非阻塞的，但是，当数据准备好之后，kernel 开始将数据拷贝到内存中的这段时间内，用户进程其实还是阻塞的。

又打个比喻：还是上面说的去餐馆吃饭，当在柜台点完餐，这个时候服务员说现在做饭需要的食材还没有准备好，你知道了这个信息后，隔一会就去重新点一次餐，最终服务员说食材准备好了，并做好了饭给你。在做饭的过程中可能会不断遇到各种问题不能下单，你只能去不断的重新点餐。

IO 复用

非阻塞模型中存在的问题是用户进程需要不断去调用内核，IO 复用模型的出现就是来解决这个问题的，IO 复用模型是建立在内核提供的多路分离函数 select 函数之上的，一个 select 中可以同时处理多个 socket 请求。所以用户一次调用可以注册多个 socket 请求。时序图大致如下：



用户进程使用select 函数注册多个 socket 请求，这时候整个进程就会被阻塞，kernel会“监视”所有select负责的socket，只要其中的一个 socket 请求的数据准备成功，select 就会返回给用户进程可读的消息，这个时候用户进程再调用 read 操作去讲数据拷贝到 内存中。在这个模型中，我们一般设置 select 中的每个 socket 为非阻塞的，但是其实整个进程是被 select 阻塞的。

IO 复用的特点是需要两次系统调用（system），并且需要调用 select ，可以同时处理多个 socket 连接。

如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的 web server 不一定比使用 multi-threading + blocking IO 的web server性能更好，可能延迟还更大。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。

异步IO（asynchronous IO）

异步IO模型中，当用户发起请求之后，就会立刻得到返回，并去做其他事情去了，从 kernel 角度来讲，他在接受到请求会立刻返回给用户进程消息，不会对其造成任何的阻塞，然后 kernel 会自己等待数据接受完毕并将数据拷贝到内存中，当这一切都完成后 kernel 会发送一个消息给用户进程，告诉它已经操作完成。时序图如下:



相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。况且目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）。

同步IO

同步IO 的概念是：一个同步 IO 的操作会导致请求的进程被阻塞，直到整个进程完成。

有的人可能要说了，阻塞IO 和 IO 多路复用是同步 IO, 非阻塞IO 就是同步 IO。我的理解不是这样的，阻塞IO 和多路复用 IO 肯定是同步 IO，但非阻塞IO 其实本质上也是同步 IO。

在非阻塞IO 那里，最后写了需要注意的一个问题，就是当数据准备好之后，kernel 拷贝数据到内存的过程中对于进程来说其实还是阻塞的。并不完全是非阻塞的。

所以，阻塞 IO、非阻塞 IO、IO 多路复用都是同步 IO

区别

阻塞 IO 和非阻塞 IO 的区别：请求发起调用 IO 会一直被 block，直到操作完成。而 non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

同步 IO 和异步 IO 的区别：一个IO操作有没有对进程造成阻塞。

参考

http://www.liaoxuefeng.com/wiki/001374738125095c955c1e6d8bb493182103fac9270762a000/001386832151866c052395d62814708a14c4fa1c933d85e000

http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378