Linux下的五种IO模型

前言

阻塞IO（blocking IO）
非阻塞IO（nonblocking IO）
IO复用（IO multiplexing）
信号驱动IO（signal driven IO (SIGIO)）
异步IO（asynchronous IO (the POSIX aio_functions)）

前四种都是同步，只有最后一种才是异步IO。

一、阻塞IO

简介：进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。

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。

执行完毕后，IO函数会向应用程序返回成功响应，应用程序得到响应后，就不再阻塞，并进行后面的工作。

网络中IO阻塞如下图所示：



示例：

餐厅吃饭，点完餐后，只能坐在餐厅里面等做好饭，吃完才能去逛商场，中间等待做饭的时间浪费掉了。这就是阻塞。

二、非阻塞IO

简介：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。

应用程序调用一个IO函数，这个IO操作会从内核中立即返回（当IO操作无法完成时，返回一个错误）。但是这个IO函数具体要执行的事情（写数据）可能并没有完成。

而对于应用程序，虽然这个IO操作很快就返回了，但是它并不知道这个IO操作是否真的成功了。为了知道IO操作是否成功，一般有两种策略：

一是需要应用程序主动地循环地去问，直到数据准备好为止，在这个不断问的过程中，会大量的占用CPU的时间；

二是采用IO通知机制，比如：IO多路复用或信号驱动IO。

网络IO非阻塞如下图所示：



示例：

又想去逛商场，又担心饭好了。所以逛一会，回来询问服务员饭好了没有，来来回回好多次。这就是非阻塞。

三、IO多路复用

简介：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。

IO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IO所不同的，这两个函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的IO函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。

网络IO多路复用如下图所示：



示例：

商场安装了电子屏幕用来显示点餐的状态，这样饭是否好了，都直接看电子屏幕就可以了。这就是IO多路复用。

四、信号驱动IO

首先我们允许一个SOCKET接口进行信号驱动IO，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IO操作函数处理数据。

五、异步IO

简介：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们；数据拷贝的时候进程无需阻塞。

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函数在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作。

这种模型与信号驱动的IO区别在于，信号驱动IO是由内核通知我们何时可以启动一个IO操作，这个IO操作由用户自定义的信号函数来实现，而异步IO模型是由内核告知我们IO操作何时完成。

linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。

网络异步IO如下图所示：



示例：

叫外卖，只需要打个电话说一下，然后可以做自己的事情，饭好了就送来了。这就是异步。

小结：

同步IO引起进程阻塞，直至IO操作完成。

异步IO不会引起进程阻塞。

IO复用是先通过select调用阻塞。

阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO和信号驱动IO都属于同步IO，异步必定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。因为其中真正的IO操作(函数)都将会阻塞进程，只有异步IO模型真正实现了IO操作的异步性。