【网络IO系列】IO的五种模型，BIO、NIO、AIO、IO多路复用、信号驱动IO

前言

在上一篇文章中，我们了解了操作系统中内核程序和用户程序之间的区别和联系，还提到了内核空间和用户空间，当我们需要读取一条数据的时候，首先需要发请求告诉内核，我需要什么数据，等内核准备好数据之后 ， 再从内核空间拷贝到用户空间 注意加粗的部分，这两个阶段至关重要

对以上的两个过程以及操作系统的IO流程不了解的，请务必左转去看上一篇文章，上篇文章中是学习IO的基础知识，只有把上一篇文章的内容看懂了，对于后续的IO几种模型的学习和理解才会更为深刻，上一篇文章可以说是整个IO中的基石级别的知识。

文章链接【网络IO系列】预备知识操作系统之内核程序和用户程序

IO的五种模型

我们回到正题，从上篇文章我们知道，当我们进行一次IO的时候，是要经过这两个阶段的，分别是

第一阶段：等待内核准备数据

第二阶段：数据从内核空间拷贝到用户空间

这两个阶段则决定着IO的各种模型的类型，通过这两个阶段，可以将IO模型分成五种，分别是

阻塞式IO（BIO）
非阻塞式IO（NIO）
IO多路复用
信号驱动IO
全异步IO（AIO）

阻塞

说到阻塞，在这里想先明确一下，什么是阻塞。从线程或者进程的角度来看，阻塞就是因为当前执行的这个线程，暂时的失去了CPU的执行权，被挂起等待下一次线程的调度或者线程被唤醒。如果是具体到我们的IO的话，则可以理解为，阻塞的时候你需要等待，等到数据准备好或者执行结果返回，才能继续下一步的操作，不然只能一直等待下去。而非阻塞，则是，即便数据没有准备好，或者执行没有完成，你也可以去做其他的事情。

　　举个例子，比如说你出门排队买东西，假如你没有带手机，那你只能老老实实排队等轮到你，在这之前，你除了排队这件事之外，其他什么事情都干不了也不允许干，这个时候你就是阻塞的，因为你只能做排队这一件事。那么同样是排队，这一次你带了手机，那你排队的时候，可以边玩手机边排队，这个时候你就是非阻塞的。

接下来让我们对应到上面的两个阶段，如果等待内核准备数据的时候，执行线程可以去做其他的事，那么在第一阶段就是非阻塞的，否则就是阻塞的。如果在数据从内核空间拷贝到用户空间阶段，执行线程可以去干其他的事，那么第二阶段就是非阻塞的，否则就是阻塞的。

阻塞式IO（BIO）

阻塞式IO，是在两个阶段都阻塞的一种IO模型，用户发起IO请求，在等待数据和数据拷贝阶段，都会被阻塞，只有这两个阶段都完成了，才能去做下一阶段的事情。

　　就像是你没带手机去吃饭，你跟老板说要吃鱼香肉丝，然后要等老板做好菜（准备数据），然后从厨房把菜端到你面前（数据拷贝），这两个阶段你都只能等着，什么事都干不了。

由于BIO阻塞时间长，因此相对性能就会较低，所以现在用的相对也比较少了。

非阻塞IO（NIO）

非阻塞IO，可以看作是半阻塞IO，因为他在第一阶段数据准备阶段不阻塞，第二阶段数据拷贝阶段阻塞，当用户发出IO请求的时候，会有一个线程去询问内核数据准备好了吗，一直问一直问，在这期间，用户主进程可以去干其他的事，等数据准备好了，到了第二阶段，这个时候，用户线程就要执行拷贝数据，这个时候是阻塞的。这种方式的缺点就是反复的轮训去询问内核数据好了没，是很消耗CPU资源的。

　　就像是你带手机去吃饭，你点好菜之后，你可以一直问老板，我的菜好了没，老板说没有，问完之后就可以继续玩手机继续等，继续问。等到有一次你问，老板我的菜好了吗，老板说好了，你自己过来端一下。（注意，问菜好没有的，得是你自己问，这家NIO店的老板比较高冷，菜好了你不问他是不会主动告诉你的，这就是NIO的特点，数据准备就绪是用户线程主动发出的询问），这个时候菜好了，你要自己去端（数据拷贝），这个端菜的阶段，你期间啥都干不了，也不能玩手机，所以NIO的第二个阶段是阻塞的。

说到这里我们可以看出BIO和NIO之间的区别了，一个是傻等老板做菜给你，期间你什么都干不了，一个是自己主动询问老板，菜好了没，期间你可以玩手机，或者干其他的，相比BIO，NIO的效率就高了很多。当然，你可能会问了，为啥菜好没好，还得我自己主动去问，这也太不人性化了，确实，这个问题我们想得到，计算机的科学界大师们自然也想得到，于是为了解决这个问题，于是出现了信号驱动IO和IO多路复用。

IO多路复用

通过我们上面对NIO的了解，我们可以知道，NIO多少存在着一些不够好的地方，因为反复的轮训也是很消耗cpu资源的。如果饭店的人少还好说，但是如果饭店人多起来了，比如说来了几百个人，那每个人时不时就要发起一次询问请求，那老板管不过来啊，cpu占用率也会非常高。于是，IO多路复用就出现了，IO多路复用可以说是目前用的最多的一个IO模型，在不同的操作系统内核，也有不同的实现方式，在这篇文章中，我们IO多路复用的大概思想，至于详细介绍，后面会用一篇文章来详细的介绍IO多路复用

IO多路复用，实际上，是通过IO请求都通过一个selector来管理，用户进程的IO请求就不直接发给内核处理程序了，而是注册到这个selector上面，由selector来告诉内核需要哪些数据，然后定时的去查询内核程序，我这个selector上需要的数据，有哪些准备好了，然后再由selector告诉那些准备好了的用户线程，让该用户线程去拷贝数据。在非阻塞IO中，不断地询问状态时通过用户线程去进行的，而在IO多路复用中，询问每个状态是内核在进行的，在IO请求非常多的时候，这个效率要比用户线程轮询要高的多。

　　就像是你带手机去饭店吃饭，现在这家饭店的老板由于生意越来越好，人越来越多，他有点管理不过来了，于是他请了几个服务员（selector）协助管理，然后现在饭店客户的点餐都是告诉服务员，我需要什么菜，然后服务员把xx桌客户的菜，记在自己的单子上。然后服务员告诉厨房他这个单子上需要哪些菜，让厨房去做。。服务员定时问厨房看看有哪些菜已经准备好了，然后告知15号桌和89号桌客人你们的菜已经好了，请来前台端一下，然后你就去前台端菜，端菜的阶段是阻塞的。

来比较一下IO多路复用和NIO，我们可以发现，当IO请求多的时候，IO多路复用效率无疑是更高的。因为对于用户线程来说，你点完菜就可以一直玩手机了，不用因为一直问老板而分心分神，耽误你打王者，因为菜好了，服务员会通知你

信号驱动IO

通过我们上面两种IO模型的了解，我们可以知道，不管是NIO还是IO多路复用，本质上还是轮询，只不过NIO是用户线程轮询，IO多路复用是委托给selector让他来轮询，那有没有什么办法能让内核主动通知数据好了没。所以，信号驱动IO出现了。信号信号，顾名思义，就是会有一个信号通知你数据已经准备好了，不用你一直去问。信号驱动IO，用户线程发出一个请求告诉内核我需要什么数据，数据准备好了你告诉我一声，然后内核就会记录下这个请求，内核准备好了之后会主动通知用户线程去执行拷贝数据，数据拷贝阶段是阻塞的，需要等数据拷贝完才能做其他的事。

　　就像是你带手机去吃饭，你点好菜之后，你就只管玩手机了，啥也不用管，就等老板通知你，期间你想干啥就干啥，等到菜准备好了，老板会大声说（内核主动通知用户进程），xxx你的鱼香肉丝已经准备好了，请过来前台端一下，这个时候你要自己去端（数据拷贝），这个端菜的阶段，你期间啥都干不了，也不能玩手机，所以信号驱动IO的第二个阶段也是阻塞的。

我们对比信号驱动IO和NIO，可以发现最重要的区别就是NIO是用户主动询问内核数据好了吗，而信号驱动IO是内核主动通知用户数据已经好了，这就改善了上面说的NIO的问题。

全异步IO

全异步IO是最理想的一种IO模型，所谓全异步IO就是，用户进程发起了一个IO请求，接下来可以干其他的事了，不需要等内核准备好，也不需要执行数据拷贝，数据异步拷贝到用户空间之后，用户进程直接拿来用就行了，这两个阶段都是由内核自动完成。完全不用用户线程操心这些事。

前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种才是是真正的异步IO，因为不管是是IO多路复用还是信号驱动，IO操作的第2个阶段都会让用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

　　举个例子就像是，你去饭店吃饭，点好餐之后，你就可以玩手机了，饭菜做好之后，服务员会把饭菜端到你的面前，你也不需要自己去端，你需要点餐和吃饭就行了，其他的你都不用管。简单来说，就是发出请求之后，只需要等待数据完成直接使用，等待期间，你可以做其他的事。整个过程完全的异步，体验最好。

全异步IO虽然非常牛逼，但是现在还不是很成熟，支持全异步IO的操作系统和框架也还不是很多，所以用的也不是很多。我们只需要了解一下就行了

总结

我们这篇文章讲了五种IO模型的思想，并且每种模型我们都通过一个通俗易懂的例子，来描绘其过程。相信你看完之后一定有收获。其中比较重要的两种是NIO和IO多路复用，这是目前来说用的最多的两种，后面的篇幅，会专门的讲这两种模型，尤其是IO多路复用，在不同的OS上，又有select，poll，和epoll方式。等下一篇文章，我们将会细讲。