Linux IO的五种模型 ongoing

服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型：

• 阻塞I/O模型  （Blocking IO） ------------(同步)（阻塞）
• 非阻塞I/O模型 （Non-Blocking IO）---------(同步)（非阻塞）
• I/O多路复用模型 (IO Multiplexing)---------(异步)（阻塞）
• 异步I/O模型（Asynchronous IO） -----------(异步)（非阻塞）

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。----？？？？

1. (同步)阻塞I/O模型  （Blocking IO）

当read或write一个文件时，如果read/write不能立即返回，那么调用者就会进入睡眠状态，用户线程执行到read/write就不动了，开始等待内核空间，直到该文件变成可读/可写。这种模式就是阻塞模式。

以TCP连接为例，用户空间read/write是与TCP缓冲区交互的，而不是直接同网卡驱动交互。当接收缓冲区内无数据时，read操作就无法立即返回，因此就会阻塞住调用线程，直到对方发送数据过来并由网卡驱动拷贝到接收缓冲区；同理，当网络延时过大或接收方问题导致本端（发送方）发送缓冲区满时，调用write无法将数据写入到发送缓冲区（一个字节都没法写入），调用进程也会阻塞。

整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。

2. (同步)非阻塞I/O模型 （Non-Blocking IO）
默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO类型的socket需要调用设置函数，例如fcntl等，被设置为NONBLOCK。
用户线程可以在发起IO请求后可以立即返回。

用户需要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。用户需要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

3. I/O多路复用模型 (IO Multiplexing)
有时也称为异步阻塞IO. 是经典的Reactor设计模式--？。Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。

1) 它的形成原因
如果一个I/O流进来，我们就开启一个线程处理这个I/O流。那么假设现在有一百万个I/O流进来，那我们就需要开启一百万个线程一一对应处理这些I/O流（这就是传统意义下的多线程并发处理）。一百万个进程的CPU占有率高，及其的不合理。所以人们提出了I/O多路复用这个模型，一个线程，通过记录I/O流的状态来同时管理多个I/O，可以提高服务器的吞吐能力。

2) 通过它的英文单词来理解一下I/O多路复用
I/O multiplexing 也就是我们所说的I/O多路复用，multi意味着多，而plex意味着丛（丛：聚集，许多事物凑在一起。），那么字面上来看I/O multiplexing 就是将多个I/O凑在一起。就像下面这张图的前半部分一样，中间的那条线就是我们的单个线程，它通过记录传入的每一个I/O流的状态来同时管理多个IO。

3)I/O多路复用的实现

IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的。
如下图所示，用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞，等待select系统调用返回。当数据到达时，select函数返回。用户线程才发起read请求，读取数据并继续执行。---- select函数亦可等待固定时间后，即使没有检测到数据 也返回。 下面讲的select函数都是指的没有数据返回就无限等待。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和 阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内 同时 处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的,。有任何一个socket口的消息来了，都可以让停在select处的用户线程被开启， 而在 阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

在代码中：在while死循环中调用select，select监视的是一组你感兴趣的文件，有文件被激活后，可以继续往下执行select后面的语句了，先判断是哪一个文件被激活，然后马上读取该文件的数据，然后继续循环。

使用IO多路复用时，一般使用Reactor设计模式：------？？？？

IO多路复用是最常使用的IO模型，但是其异步程度还不够“彻底”，因为它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO，而非真正的异步IO。

1）select/poll---？？

2）epoll---？？



4.异步I/O模型（Asynchronous IO）
经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。----？？

5.信号驱动I/O模型

Ref:

https://www.jianshu.com/p/6a6845464770https://blog.csdn.net/shuxiaogd/article/details/50366039
https://blog.csdn.net/baixiaoshi/article/details/48708347