IO模型复习

前言

这一块看的冰河老师的文章，做个复习。

一. IO的基础概念

首先来说下什么是IO：涉及计算机核心与其他设备间数据迁移的过程，就是IO。 例如磁盘IO：

• 输入：从磁盘中读取数据到内存。
• 输出：将内存中的数据写入磁盘。

而操作系统发起一次IO操作一般会包含两个阶段：

1. IO调用：应用程序进程向操作系统内核发起调用。
2. IO执行：操作系统内核完成IO操作。

其中，IO执行阶段又分为两个阶段：

1. 准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据。
2. 拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区。

如图：

二. IO模型

IO模型主要有五种类型：

2.1 阻塞式IO（BIO）

应用程序进程发起IO调用，但是内核数据还没准备好。因此应用进程一直阻塞等待，直到内核数据准备好。

缺点：如果内核数据一直没准备好，那用户进程将一直阻塞，浪费性能。

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2.2 非阻塞式IO（NIO)

鉴于阻塞式IO的缺点，在其基础上，倘若内核数据还没准备好，非阻塞式IO会先将错误信息返回给用户进程，让其无需等待，再通过轮询的方式来请求。优点：相对于阻塞式IO，用户可以无需等待，不会因为内核数据没准备好而进入阻塞状态。
缺点：频繁的轮询，导致频繁的进行系统调用，消耗大量的CPU资源。

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2.3 IO多路复用（BIO）

既然频繁的轮询导致CPU消耗很大。那就让内核数据准备好的时候，主动通知应用程序进行系统调用即可。也就是IO多路复用。

概念：文件描述符（File Descriptor）

文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

IO复用模型核心思路：系统给我们提供一类函数，它们可以同时监控多个fd的操作，任何一个返回内核数据就绪，应用进程再发起系统调用。注意，这里依旧是需要应用进程去发起系统调用的。

IO多路复用的方式有三种：select、poll、epoll。

2.3.1 select

应用进程可以通过select函数，来同时监控多个fd，在select函数监控fd的过程中，只要任何一个数据状态准备就绪了。select就会返回可读状态，这时候应用进程就会发起请求读取内核数据。 如图：

缺点如下：

1. 监听的IO最大连接数有上限。
2. select函数返回后，是通过遍历fd集合，找到就绪的描述符fd。（即遍历所有的流）

2.3.2 poll

鉴于select方式的缺点，就提出了poll。与前者相比，poll解决了连接数量限制的问题。但是poll还是需要通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。

2.3.3 epoll

那么为了解决select和poll存在的问题，就有了IO多路复用（epoll）模型，采用事件驱动来实现：

看起来和select的流程图没啥区别，这里加点文字描述：

1. epoll首先通过epoll_ctl()函数来注册一个文件描述符。
2. 一旦基于某个fd就绪时，内核会采用回调机制，迅速激活这个fd。
3. 当进程调用epoll_wait()时便得到通知。通过采用监听事件回调的机制来避免遍历所有的文字描述符。

虽然IO多路复用这种方式对于非阻塞式IO，不需要进行频繁的调用，而是通过回调的方式来进行。但是当进程调用epoll_wait()时，仍然可能被阻塞。

重要的事情说三遍，多路复用IO它依旧是：同步阻塞的！同步阻塞的！同步阻塞的！

因此从设计上希望有这么个功能（这里我觉得应该这么理解会更好）：

1. 多路复用IO，虽然可以指定对应的IO流。避免遍历所有的IO。
2. 虽然是通过回调的方式来获取结果的，但是这个等待结果的这个过程，是需要阻塞去等待的。
3. 因此设计上希望用户进程可以无需等待，先去做别的事情。等回调结果有了，我再去感应即可。

随之而来的也就是信号驱动IO模型。

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2.4 信号驱动IO（NIO）

在多路复用的基础上。向内核发送一个信号。此时应用进程不用阻塞，可以去做其他事情。当内核数据准备好后，再通过SIGIO信号通知应用进程。进程一旦获取到信号，就立即调用获取内核数据。如图：

当然，这里数据状态询问流程是异步的没错，但是数据复制部分，依旧是同步阻塞的，也因此这整个信号驱动IO的流程并不是异步的。

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2.5 异步IO（AIO）

只需要向内核发送一次请求，就可以完成数据状态询问和数据拷贝的所有操作，并且不用阻塞等待结果。

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这里解释下BIO、NIO、AIO：

• 同步阻塞(blocking-IO)简称BIO。
• 同步非阻塞(non-blocking-IO)简称NIO。
• 异步非阻塞(asynchronous-non-blocking-IO)简称AIO。

三. 总结

3.1 select、poll、epoll三者区别*

比较项	select	poll	epoll
底层数据结构	数组	链表	红黑树+双链表
获取就绪的fd方式	遍历所有	遍历所有	事件回调
事件复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
最大连接数	1024(Linux)	无限制	无限制
fd数据拷贝方式	每次调用select，都需要将fd从用户空间拷贝到内核空间	每次调用poll，都需要将fd从用户空间拷贝到内核空间	通过内存映射（mmap），不需要进行频繁的拷贝fd，一次即可。

3.2 五种IO模型

IO模型	阻塞状态	同步状态
阻塞式IO	阻塞	同步
非阻塞式IO	非阻塞	同步
IO多路复用	阻塞	同步
信号驱动IO	非阻塞	同步
异步IO	非阻塞	异步

阻塞，非阻塞的概念区分：可以简单理解为需要做一件事能不能立即得到返回应答,如果不能立即获得返回,需要等待,那就阻塞。更倾向于是否立即应答。

同步，异步的概念区分：你总是做完一件再去做另一件,不管是否需要时间等待,这就是同步。否则就是异步。更倾向于是否可以并行做两件事。

那回过头再看上面的表格：

非阻塞式IO方面的解释：

• 非阻塞：因为用户进程能够立刻获得结果（可能是最终用户想要的数据，也可能是错误信息）。
• 同步：因为数据复制阶段总是在数据询问阶段完成后执行。

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IO多路复用方面的解释：

• 阻塞：用户进程需要等待回调结果的返回。这一过程是阻塞的。
• 同步：因为数据复制阶段总是在数据询问阶段完成后执行。

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信号驱动IO方面的解释：

• 非阻塞：用户进程在数据询问阶段就能够立即获得返回。
• 同步：需要等待内核发送信号，表示fd找到了。让用户进程得到fd，再由用户进程发起请求进行数据拷贝。

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异步IO方面的解释：

• 非阻塞：用户也可以立刻获得结果。
• 异步：整个数据的等待和拷贝操作都交给操作系统来完成，并不是用户，用户无需阻塞等待。

最终可以发现，针对这五种IO模型，关于异步和同步的区别无非就是：

• 同步：数据等待和拷贝过程分为两个阶段，由应用进程发起。需要发起两次。
• 异步：数据等待和拷贝操作都交给操作系统完成。应用进程发起一次请求即可。