浅聊Linux的五种IO模型

在日常 Coding 中，多多少少都会接触到网络 IO，就会想要深入了解一下。看了很多文章，总是云里雾里的感觉，直到读了《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》中的介绍后，才豁然开朗。这里就给大家分享一下，如有不对，欢迎指出。

1. 概念说明

为了便于理解后面的内容，我们先来了解一些概念。

1.1 Socket

Socket 中文翻译为套接字，是计算机网络中进程间进行双向通信的端点的抽象。一个 Socket 代表了网络通信的一端，是由操作系统提供的进程间通信机制。

在操作系统中，通常会为应用程序提供一组应用程序接口，称为 Socket 接口（Socket API）。应用程序可以通过 Socket 接口，来使用网络 Socket，以进行数据的传输。
一个 Socket 由IP地址和端口组成，即：Socket 地址 = IP地址 : 端口号。
在同一台计算机上，TCP 协议与 UDP 协议可以同时使用相同的端口（Port），而互不干扰。
要想实现网络通信，至少需要一对 Socket，其中一个运行在客户端，称之为 Client Socket；另一个运行在服务器端，称之为 Server Socket。
Socket 之间的连接过程可以分为三个步骤：（1）服务器监听；（2）客户端连接；（3）连接确认。

1.2 Socket 缓冲区

每个 Socket 被创建后，都会在内核中分配两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。

通过 Socket 发送数据并不会立即向网络中传输数据，而是先将数据写入到输出缓冲区中，再由 TCP 协议将数据从输出缓冲区发送到目标主机。
通过 Socket 接收数据也是如此，也是从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

1.3 用户空间、内核空间、系统调用

操作系统的进程空间可以分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space），它们需要不同的执行权限。

大多数系统交互式操作需要在内核空间中运行，比如设备 IO 操作。
我们的应用程序运行在用户空间，是不具备系统级的直接操作权限的。如果应用程序想要访问系统核心功能，必须通过系统调用（System Call）来完成。比如调用recv()函数，会将输入缓冲区中的内容拷贝到用户缓冲区。
系统调用运行在内核空间，是操作系统为应用程序提供的接口。

下面列举了一些 Linux 操作系统中的系统调用接口（部分函数后面章节会用到）：

socketcall socket系统调用
socket 建立socket
bind 绑定socket到端口
connect 连接远程主机
accept 响应socket连接请求
send 通过socket发送信息
sendto 发送UDP信息
recv 通过socket接收信息
recvfrom 接收UDP信息
listen 监听socket端口
select 对多路同步IO进行轮询
shutdown 关闭socket上的连接
sigaction 设置对指定信号的处理方法

1.4 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞，用于描述调用者在等待返回结果时的状态。

阻塞：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，这期间当前线程会被挂起（阻塞）。
非阻塞：调用者发起请求后，会立刻返回，当前线程也不会阻塞。该调用不会立刻得到结果，调用者需要定时轮询查看处理状态。

1.5 同步与异步

而同步与异步，用于描述调用结果的返回机制（或者叫通信机制）。

同步：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，即由调用者主动等待这个调用结果。
异步：调用者发起请求后，会立刻返回，但不会立刻得到这个结果，而是由被调者在执行结束后主动通知（如 Callback）调用者。

2. 五种 IO 模型

IO 模型是指：用什么样的通道或者说是通信模式进行数据的传输，这很大程序上决定了程序通信的性能。

Linux 系统为我们提供五种可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路复用模型、信号驱动 IO 模型和异步 IO 模型。

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO （Blocking IO）：应用进程从发起 IO 系统调用，至内核返回成功标识，这整个期间是处于阻塞状态的。

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式IO（Non-Blocking IO）：应用进程可以将 Socket 设置为非阻塞，这样应用进程在发起 IO 系统调用后，会立刻返回。应用进程可以轮询的发起 IO 系统调用，直到内核返回成功标识。

2.3 IO 多路复用模型

IO 多路复用（IO Multiplexin）：可以将多个应用进程的 Socket 注册到一个 Select（多路复用器）上，然后使用一个进程来监听该 Select（该操作会阻塞），Select 会监听所有注册进来的 Socket。只要有一个 Socket 的数据准备好，就会返回该Socket。再由应用进程发起 IO 系统调用，来完成数据读取。

2.4 信号驱动 IO 模型

信号驱动 IO（Signal Driven IO）：可以为 Socket 开启信号驱动 IO 功能，应用进程需向内核注册一个信号处理程序，该操作并立即返回。当内核中有数据准备好，会发送一个信号给应用进程，应用进程便可以在信号处理程序中发起 IO 系统调用，来完成数据读取了。

2.5 异步 IO 模型

异步 IO（Asynchronous IO）：应用进程发起 IO 系统调用后，会立即返回。当内核中数据完全准备后，并且也复制到了用户空间，会产生一个信号来通知应用进程。

3. 总结

从上述五种 IO 模型可以看出，应用进程对内核发起 IO 系统调用后，内核会经过两个阶段来完成数据的传输：

第一阶段：等待数据。即应用进程发起 IO 系统调用后，会一直等待数据；当有数据传入服务器，会将数据放入内核空间，此时数据准备好。
第二阶段：将数据从内核空间复制到用户空间，并返回给应用程序成功标识。

前四种模型的第二阶段是相同的，都是处于阻塞状态，其主要区别在第一阶段。而异步 IO 模型则不同，应用进程在这两个阶段是完全不阻塞的。

IO 模型	第一阶段	第二阶段
阻塞式IO	阻塞	阻塞
非阻塞式IO	非阻塞	阻塞
IO多路程复用	阻塞（Select）	阻塞
信号驱动式IO	异步	阻塞
异步IO	异步	异步

参考资料

UNIX网络编程卷1：套接字联网API