看一遍就了解 IO 模型详解

前言

大家好，我是程序员田螺。当天咱们一同来学习IO模型。在本文开局前呢，先问问大家几个疑问哈~

什么是IO呢?什么是阻塞非阻塞IO?什么是同步异步IO?什么是IO多路复用?select/epoll跟IO模型有什么相关?有几种经典IO模型呢?BIO、NIO、AIO究竟有什么区别的?

假设这些疑问，你都能很好答上的话，那祝贺你，你对IO的把握曾经很棒啦!那你跟田螺哥一同看完这篇文章，再温习一下，加深印象吧~假设你对这些疑问模棱两可的话，那也没相关，看完这篇文章，就了解啦!

什么是IO呢?

IO，英文全称是Input/Output，翻译上来就是输入/输入。往常咱们听得挺多，就是什么磁盘IO，网络IO。那IO究竟是什么呢?是不是有种懵糊涂懂的觉得呀，如同大略知道它是什么，又如同说不清楚。

IO，即输入/输入，究竟谁是输入?谁是输入呢?IO假设脱离了主体，就会让人纳闷。

计算机角度的IO

咱们常说的输入输入，比拟直观的意思就是计算机的输入输入，计算机就是主体。大家能否还记得，大学学计算机组成原理的时刻，有个冯.诺依曼结构，它将计算机分红分为5个局部：运算器、控制器、存储器、输入设施、输入设施。

输入设施是向计算机输入数据和消息的设施，键盘，鼠标都属于输入设施;输入设施是计算机配件系统的终端设施，用于接纳计算机数据的输入显示，普通显示器、打印机属于输入设施。

例如你在鼠标键盘敲几下，它就会把你的指令数据，传给服务器，服务器经过运算后，把前往的数据消息，输入到显示器。

鼠标、显示器这只是直观外表的输入输入，回到计算机架构来说，触及计算机外围与其余设施间数据迁徙的环节，就是IO。如磁盘IO，就是从磁盘读取数据到内存，这算一次性输入，对应的，将内存中的数据写入磁盘，就算输入。这就是IO的实质。

操作系统的IO

咱们要将内存中的数据写入到磁盘的话，主体会是什么呢?主体或许是一个运行程序，比如一个Java进程(假定网络传来二进制流，一个Java进程可以把它写入到磁盘)。

操作系统担任计算机的资源治理和进程的调度。咱们电脑上跑着的运行程序，其实是须要经过操作系统，能力做一些不凡操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。由于这些都是比拟风险的操作，无法以由运行程序乱来，只能交给底层操作系统来。也就是说，你的运行程序要把数据写入磁盘，只能经过调用操作系统放开进去的API来操作。

什么是用户空间?什么是内核空间?

以32位操作系统为例，它为每一个进程都调配了4G(2的32次方)的内存空间。这4G可访问的内存空间分为二局部，一局部是用户空间，一局部是内核空间。内核空间是操作系统内核访问的区域，是受包全的内存空间，而用户空间是用户运行程序访问的内存区域。

咱们运行程序是跑在用户空间的，它不存在实质的IO环节，真正的IO是在操作系统口头的。即运行程序的IO操作分为两种举措：IO调用和IO口头。IO调用是由进程(运行程序的运转态)动员，而IO口头是操作系统内核的上班。此时所说的IO是运行程序对操作系统IO性能的一次性触发，即IO调用。

操作系统的一次性IO环节

运行程序动员的一次性IO操作蕴含两个阶段：

操作系统内核成功IO操作还包括两个环节：

其实IO就是把进程的外部数据转移到外部设施，或许把外部设施的数据迁徙到进程外部。外部设施普通指硬盘、socket通信的网卡。一个完整的IO环节包括以下几个步骤：

运行程序进程向操作系统动员IO调用恳求

操作系统预备数据，把IO外部设施的数据，加载到内核缓冲区

操作系统拷贝数据，行将内核缓冲区的数据，拷贝到用户进程缓冲区

阻塞IO模型

咱们曾经知道IO是什么啦，那什么是阻塞IO呢?

假定运行程序的进程动员IO调用，但是假设内核的数据还没预备好的话，那运行程序进程就不时在阻塞期待，不时等到内核数据预备好了，从内核拷贝到用户空间，才前往成功揭示，此次IO操作，称之为阻塞IO。

阻塞IO比拟经典的运行就是阻塞socket、Java BIO。

阻塞IO的缺陷就是：假设内核数据不时没预备好，那用户进程将不时阻塞，糜费性能，可以经常使用非阻塞IO优化。

非阻塞IO模型

假设内核数据还没预备好，可以先前往失误消息给用户进程，让它不须要期待，而是经过轮询的方式再来恳求。这就是非阻塞IO，流程图如下：

非阻塞IO的流程如下：

非阻塞IO模型，简称NIO，Non-BlockingIO。它相关于阻塞IO，只管大幅优化了性能，但是它依然存在性能疑问，即频繁的轮询，造成频繁的系统调用，雷同会消耗少量的CPU资源。可以思考IO复用模型，去处置这个疑问。

IO多路复用模型

既然NIO有效的轮询会造成CPU资源消耗，咱们等到内核数据预备好了，被动通知运后退程再去启动系统调用，那不就好了嘛?

在这之前，咱们先来温习下，什么是文件形容符fd(FileDescriptor),它是计算机迷信中的一个术语，方式上是一个非负整数。当程序关上一个现有文件或许创立一个新文件时，内核向进程前往一个文件形容符。

IO复用模型外围理路：系统给咱们提供一类函数(如咱们近朱者赤，近墨者黑的select、poll、epoll函数)，它们可以同时监控多个fd的操作，任何一个前往内核数据就绪，运后退程再动员recvfrom系统调用。

IO多路复用之select

运后退程经过调用select函数，可以同时监控多个fd，在select函数监控的fd中，只需有任何一个数据形态预备就绪了，select函数就会前往可读形态，这时运后退程再动员recvfrom恳求去读取数据。

非阻塞IO模型(NIO)中，须要N(N>=1)次轮询系统调用，但是借助select的IO多路复用模型，只须要动员一次性征询就够了,大大优化了性能。

但是呢，select有几个缺陷：

由于存在衔接数限度，所来又提出了poll。与select相比，poll处置了衔接数限度疑问。但是呢，select和poll一样，还是须要经过遍历文件形容符来失掉曾经就绪的socket。假设同时衔接的少量客户端，在一时辰或许只要极少处于就绪形态，随同着监督的形容符数量的增长，效率也会线性降低。

因此经典的多路复用模型epoll降生。

IO多路复用之epoll

为了处置select/poll存在的疑问，多路复用模型epoll降生，它驳回事情驱动来成功，流程图如下：

epoll先经过epoll_ctl()来注册一个fd(文件形容符)，一旦基于某个fd就绪时，内核会驳回回调机制，迅速激活这个fd，当进程调用epoll_wait()时便失掉通知。这里去掉了遍历文件形容符的坑爹操作，而是驳回监听事情回调的机制。这就是epoll的亮点。

咱们一同来总结一下select、poll、epoll的区别

epoll显著优化了IO的口头效率，但在进程调用epoll_wait()时，依然或许被阻塞。能不能酱紫：不用我老是去问你数据能否预备就绪，等我收回恳求后，你数据预备好了通知我就行了，这就降生了信号驱动IO模型。

IO模型之信号驱动模型

信号驱动IO不再用被动征询的方式去确认数据能否就绪，而是向内核发送一个信号(调用sigaction的时刻建设一个SIGIO的信号)，而后运行用户进程可以去做别的事，不用阻塞。当内核数据预备好后，再经过SIGIO信号通知运后退程，数据预备好后的可读形态。运行用户进程收到信号之后，立刻调用recvfrom，去读取数据。

信号驱动IO模型，在运后退程收回信号后，是立刻前往的，不会阻塞进程。它曾经有异步操作的觉得了。但是你细看下面的流程图，发现数据复制到运行缓冲的时刻，运后退程还是阻塞的。回过头来看下，不论是BIO，还是NIO，还是信号驱动，在数据从内核复制到运行缓冲的时刻，都是阻塞的。还有没有优化打算呢?AIO(真正的异步IO)!

IO 模型之异步IO(AIO)

前面讲的BIO，NIO和信号驱动，在数据从内核复制到运行缓冲的时刻，都是阻塞的，因此都不算是真正的异步。AIO成功了IO全流程的非阻塞，就是运后退程收回系统调用后，是立刻前往的，但是立刻前往的不是处置结果，而是示意提交成功相似的意思。等外核数据预备好，将数据拷贝到用户进程缓冲区，发送信号通知用户进程IO操作口头终了。

流程如下：

异步IO的优化思绪很便捷，只须要向内核发送一次性恳求，就可以成功数据形态征询和数据拷贝的一切操作，并且不用阻塞期待结果。日常开发中，有相似思维的业务场景：

比如动员一笔批量转账，但是批量转账处置比拟耗时，这时刻后端可以先告知前端转账提交成功，等到结果处置完，再通知前端结果即可。

阻塞、非阻塞、同步、异步IO划分

一个深刻例子读懂BIO、NIO、AIO

一个经典生存的例子：