随便谈谈 吃瓜和五种IO模型

五中io模型 

在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型，分别是：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。

下面就分别来介绍一下这5种IO模型的异同。

1.阻塞IO模型

　　最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

　　当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。

典型的阻塞IO模型的例子为：

data = socket.read();

如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法。

2.非阻塞IO模型

　　当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

　　所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

典型的非阻塞IO模型一般如下：

while(true){

   data = socket.read();

   if(data!= error){

       处理数据

       break;

   }

}

 

　　但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

3.多路复用IO模型

　　多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。

　　在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。

　　也许有朋友会说，我可以采用多线程+ 阻塞IO 达到类似的效果，但是由于在多线程 + 阻塞IO 中，每个socket对应一个线程，这样会造成很大的资源占用，并且尤其是对于长连接来说，线程的资源一直不会释放，如果后面陆续有很多连接的话，就会造成性能上的瓶颈。

　　而多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。

 

　　另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中，不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。

 

　　不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

4.信号驱动IO模型

 

　　在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中，对TCP套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情

5.异步IO模型

 

　　异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。

 

　　也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

 

　　注意，异步IO是需要操作系统的底层支持，在Java 7中，提供了Asynchronous IO。简称AIO

 

前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

两种高性能IO设计模式

在传统的网络服务设计模式中，有两种比较经典的模式：

　　一种是多线程，一种是线程池。

　　对于多线程模式，也就说来了client，服务器就会新建一个线程来处理该client的读写事件，如下图所示：

这种模式虽然处理起来简单方便，但是由于服务器为每个client的连接都采用一个线程去处理，使得资源占用非常大。因此，当连接数量达到上限时，再有用户请求连接，直接会导致资源瓶颈，严重的可能会直接导致服务器崩溃。

　　因此，为了解决这种一个线程对应一个客户端模式带来的问题，提出了采用线程池的方式，也就说创建一个固定大小的线程池，来一个客户端，就从线程池取一个空闲线程来处理，当客户端处理完读写操作之后，就交出对线程的占用。因此这样就避免为每一个客户端都要创建线程带来的资源浪费，使得线程可以重用。

　　但是线程池也有它的弊端，如果连接大多是长连接，因此可能会导致在一段时间内，线程池中的线程都被占用，那么当再有用户请求连接时，由于没有可用的空闲线程来处理，就会导致客户端连接失败，从而影响用户体验。因此，线程池比较适合大量的短连接应用。

　　因此便出现了下面的两种高性能IO设计模式：Reactor和Proactor。

在Reactor模式中，会先对每个client注册感兴趣的事件，然后有一个线程专门去轮询每个client是否有事件发生，当有事件发生时，便顺序处理每个事件，当所有事件处理完之后，便再转去继续轮询，如下图所示：

从这里可以看出，上面的五种IO模型中的多路复用IO就是采用Reactor模式。注意，上面的图中展示的 是顺序处理每个事件，当然为了提高事件处理速度，可以通过多线程或者线程池的方式来处理事件。Java NIO使用的就是这种

　　在Proactor模式中，当检测到有事件发生时，会新起一个异步操作，然后交由内核线程去处理，当内核线程完成IO操作之后，发送一个通知告知操作已完成，可以得知，异步IO模型采用的就是Proactor模式。Java AIO使用的这种。

 

 

信号驱动和异步驱动的区别

　　信号驱动IO是指：进程预先告知内核，使得 当某个socketfd有events（事件）发生时，内核使用信号通知相关进程。

　　异步IO（Asynchronous IO）是指：进程执行IO系统调用（read / write）告知内核启动某个IO操作，内核启动IO操作后立即返回到进程。IO操作即内核当中的服务例程。

　　异步I/O和信号驱动I/O的区别很容易被混淆。前者与后者的区别在于启用异步I/O意味着通知内核启动某个I/O操作，并让内核在整个操作（包括数据从内核复制到用户缓冲区）完成时通知我们。也就是说，异步I/O是由内核通知我们I/O操作何时完成，即实际的I/O操作也是异步的；而 信号驱动I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O。

　　I/O究竟什么时候能用这个信息实际上只有内核才能 事先知道，因为是内核在最终处理系统中的所有打开的描述符。

　　信号驱动I/O模型

　　内核：I/O能用了。

　　进程：接受到I/O能用的消息并执行接下来的操作。

 　　异步I/O模型

　　内核：等待这个I/O有消息了，接受到数据。

　　进程：从缓存中得到数据。

 

 举个吃瓜的例子

以下将我比作一个线程，我弟弟也是一个线程，冰箱为一个socket，瓜为数据，茶几为缓冲区，我妈为内核。

此时炎炎夏日，我正在打游戏，口渴难耐。想吃西瓜，哈密瓜，香瓜

1.  阻塞io ： 我先去家里一台冰箱里找西瓜。西瓜有我就自己搬到茶几上切开吃，没有我就站在冰箱面前等。等到我妈把瓜买回来放冰箱里为止。按照同样步骤，吃完了西瓜，我再去下一个冰箱找哈密瓜，香瓜。

2.   非阻塞io ： 我去家里一台冰箱里找西瓜。瓜有我就自己搬到茶几上切开吃，没有我就回来继续打游戏，死一次我就问一句我妈，冰箱里有西瓜没。 一直问到我妈发现冰箱里真的有瓜了，并且告诉我。然后我就去自己把瓜搬到茶几上切开吃。 然后同样步骤再去找哈密瓜、香瓜。

3.  io多路复用 ：  我想吃瓜，让我弟弟去看冰箱有没有瓜，有就回来告诉我，没有就继续在冰箱面前等。 不管哪种瓜，只要弟弟说发现有瓜，我就立马过去吃。吃完了继续回来打游戏。直到吃完三种瓜。

4. 信号驱动io ： 我给冰箱装上了一个感应器，一有瓜立马发出报警声，我和我妈说，冰箱响了告诉我。然后我就回去打游戏了。 瓜买回来之后，冰箱真的响了，我妈做饭的时候听到了，就告诉我说冰箱响了。我就出房门，把瓜从冰箱上搬到茶几上切开吃，吃完回来。再响一次我就又出房门去吃瓜。直到吃完。

5.  异步io ：   我告诉我妈，帮我注意注意冰箱里有没有瓜，有瓜就帮我把瓜搬到茶几上顺便帮我切好。 瓜来了我直接出房门吃就行了。