IO模型

转自：https://blog.csdn.net/qq_31815507/article/details/115673210

1.阻塞与非阻塞

阻塞IO，指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的操作。阻塞指的是用户空间程序的执行状态。传统的IO模型都是同步阻塞IO。

非阻塞是忙、轮询。

2.同步与异步

同步IO，是一种用户空间与内核空间的IO发起方式。

• 同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。
• 异步IO则反过来，是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受方。

 3.同步阻塞IO（Blocking IO）

 应用程序让出CPU，进入等待队列，等待数据准备，并且数据从内核复制到用户空间时也是处于阻塞状态。

直到内核返回后，用户线程才会解除阻塞的状态，重新运行起来。

阻塞的时间段包括：等待数据到达+数据从内核复制到用户空间的两个过程。 

•  优点：应用的程序开发非常简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。在阻塞期间，用户线程基本不会占用CPU资源。
• 缺点：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程；反过来说，就是一个线程维护一个连接的IO操作。（因为一个线程一旦IO就被阻塞，所以其他事务都需要一个线程）在并发量小的情况下，这样做没有什么问题。但是，当在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并发应用场景下是不可用的。

2.同步非阻塞NIO（None Blocking IO）

 函数返回EWOULDBLOCK表示当前处于非阻塞状态，不需要重复读。但是需要借助while循环？来轮询内核是否准备好了数据。

// 但是上图中左边写”进程阻塞于“，说明轮询的过程其实也是有阻塞的？

• 内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到的用户缓冲区的字节数）。

过程简单图示：

 特点：

应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。

优点：

每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。【是否是这样：因为它是经过轮询，所以这段时间其实不会产生切换进程，进程状态仍是运行，占用cpu时间，所以说它是非阻塞的。对照下面的缺点，这样理解是正确的。所以阻塞和非阻塞从宏观上来理解就是进程让不让出cpu，阻塞就是让出cpu】

缺点：

不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。

总体来说，在高并发应用场景下，同步非阻塞IO也是不可用的。一般Web服务器不使用这种IO模型。这种IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

3.IO多路复用模型（IO Multiplexing）

如何避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。

• 在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。
• 通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。【这里提到的应用程序是指多个还是一个？针对Web服务器来说，可以认为就是当前的进程，认为是一个就行，就是哪个客户端send来了数据准备好了，可以读取了，对应的描述符就处于可读状态】
• 随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。

在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。

 通过调用select可以监听所有的文件描述符，也就是所有的socket套接字，包括监听socket和连接socket两种。

 select本身是阻塞的，只是因为它能够监听多个socket上的读、写、异常事件，而不用一个线程监督一个socket，实现了一个线程可以监督上千个socket的能力，所以多路复用。

这里”多路“指的是多个socket，”复用“指的是都用一个线程调用select来监听所有事件。 

当用户进程调用了select查询方法，那么整个线程会被阻塞掉。

3. 用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

4. 复制完成后，内核返回结果，用户线程才会解除阻塞的状态，用户线程读取到了数据，继续执行。

【也就是说，进程从挂起导致的等待状态何时转换为就绪呢？宏观上来说是IO准备好了，微观上来说就是，数据从内核缓冲区复制到了用户缓冲区，用户完全可以读了的情况下才会进入就绪状态】

 IO多路复用本质上和非阻塞IO本质上一样，不过利用了新的select系统调用，由内核来负责本来是请求进程该自己做的轮询操作。看似比非阻塞IO还多了一个系统调用开销，不过因为可以支持多路IO，才算提高了效率。

特点：

1. 涉及两种系统调用（System Call），

• 一种是select/epoll（就绪查询）
• 一种是IO操作。

2. 和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。

优点：

与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。

系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

//异步IO先不看了。