深入理解：阻塞IO、非阻塞IO、水平触发与边缘触发

深入理解：阻塞IO、非阻塞IO、水平触发与边缘触发

在网络编程和并发处理中，理解不同的 I/O 模型和事件通知机制至关重要。本文将深入探讨阻塞IO（Blocking IO）、非阻塞IO（Non-Blocking IO）、水平触发（Level Triggering）以及边缘触发（Edge Triggering）这四个核心概念，帮助开发者更好地选择和使用合适的 I/O 模型。

一、阻塞IO（Blocking IO）

定义： 阻塞IO是最简单也是最常见的IO模型。当应用程序发起一个IO操作（例如，读取数据）时，如果数据尚未准备好，操作系统会将该线程或进程 阻塞 起来，直到数据准备就绪并被拷贝到用户空间后，该线程或进程才会继续执行。

工作方式：

1. 用户进程发起一个读操作。
2. 操作系统内核检查数据是否准备好。
3. 如果数据没有准备好，内核会将该进程/线程挂起（阻塞）。
4. 一旦数据准备好，内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。
5. 内核唤醒被挂起的进程/线程。
6. 用户进程继续执行，完成IO操作。

优点： 编程模型简单直观，易于理解和实现。

缺点： 在等待IO完成期间，进程或线程会被阻塞，无法执行其他任务。这在高并发场景下会导致大量的线程被阻塞，效率低下。

示例： 默认情况下，socket 的 recv() 函数就是一个阻塞调用。如果接收缓冲区中没有数据，recv() 会一直等待直到有数据到达。

二、非阻塞IO（Non-Blocking IO）

定义： 非阻塞IO与阻塞IO相反。当应用程序发起一个IO操作时，如果数据尚未准备好，操作系统会立即返回一个错误（通常是 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），而不会阻塞该线程或进程。应用程序需要不断地轮询（polling）内核，检查数据是否已经准备好。

工作方式：

1. 用户进程将 socket 设置为非阻塞模式。
2. 用户进程发起一个读操作。
3. 操作系统内核检查数据是否准备好。
4. 如果数据没有准备好，内核会立即返回一个错误。
5. 用户进程不会被阻塞，可以继续执行其他任务，并在稍后再次尝试读取数据。
6. 一旦数据准备好，内核将数据拷贝到用户空间，并且下次用户进程尝试读取时会成功返回。

优点： 进程或线程在等待IO操作完成时不会被阻塞，可以执行其他任务，提高了并发处理能力。

缺点： 需要应用程序不断地轮询内核，检查IO操作是否完成，这会消耗大量的CPU资源，尤其是在大多数轮询都返回“数据未准备好”的情况下。

示例： 可以通过设置 socket 的 O_NONBLOCK 标志将其设置为非阻塞模式。此时，调用 recv() 如果没有数据会立即返回错误。

三、I/O 多路复用（The Need for）

非阻塞IO虽然避免了线程阻塞，但其轮询机制效率低下。为了更高效地处理多个连接的IO事件，出现了I/O多路复用技术，例如 select、poll 和 epoll。这些技术允许一个进程或线程同时监视多个文件描述符（例如，socket），一旦某个或某些文件描述符上的IO事件就绪（例如，有数据可读），内核就会通知应用程序。

在使用 I/O 多路复用时，我们需要关注事件的触发方式，这就是水平触发和边缘触发的概念。

四、水平触发（Level Triggering，LT）

定义： 水平触发是一种事件通知机制。当内核检测到文件描述符上的某个条件满足时（例如，socket 接收缓冲区中有数据可读），就会通知应用程序。 只要该条件持续满足，内核就会重复通知应用程序。

工作方式：

• 当使用 select 或 poll 时，如果一个文件描述符就绪（例如，可读），select 或 poll 会返回该文件描述符。即使应用程序没有完全读取完所有的数据，下次再次调用 select 或 poll 时，如果该文件描述符仍然处于就绪状态（缓冲区中还有数据），它仍然会被报告为就绪。
• 在使用 epoll 时，如果以水平触发模式注册了一个文件描述符的读事件，只要该文件描述符的读缓冲区中还有数据，epoll_wait 就会一直返回该文件描述符，直到所有数据都被读取完毕。

特点：

• 可靠性高：只要条件满足，就会一直通知，不容易丢失事件。
• 处理方式灵活：应用程序可以根据自己的节奏处理数据，不必一次性读取所有数据。
• 效率相对较低：可能会因为条件持续满足而产生不必要的重复通知。

适用场景： 对数据完整性要求较高，但对实时性要求不是特别苛刻的场景。select 和 poll 默认采用水平触发。epoll 默认也采用水平触发，但可以通过设置标志来使用边缘触发。

五、边缘触发（Edge Triggering，ET）

定义： 边缘触发是另一种事件通知机制。当内核检测到文件描述符上的状态 发生变化 时，才会通知应用程序。例如，当 socket 接收到新的数据时，会产生一个读事件的边缘触发。 只有在状态发生变化时才会通知一次。

工作方式：

• 在使用 epoll 并以边缘触发模式注册了一个文件描述符的读事件时，只有当新的数据到达该文件描述符的读缓冲区时，epoll_wait 才会返回该文件描述符。即使缓冲区中仍然有未读取的数据，如果后续没有新的数据到达，epoll_wait 不会再次返回该文件描述符。

特点：

• 效率高：只有在状态发生变化时才通知，减少了不必要的重复通知。
• 要求高：应用程序需要及时地处理所有触发的事件，否则可能会丢失后续的事件。对于读事件，需要一次性读取所有可读的数据，对于写事件，需要在可写状态发生变化后尽可能多地写入数据。

适用场景： 对性能要求非常高的场景，需要应用程序能够快速且完整地处理事件。Nginx 等高性能服务器通常会选择使用 epoll 的边缘触发模式。

注意事项： 在使用边缘触发时，需要特别小心，确保在每次事件触发后都能够完全处理所有的数据，避免数据丢失或遗漏。通常会配合使用非阻塞IO，循环读取或写入数据直到返回错误（例如 EAGAIN）。

六、总结与比较

特性	阻塞IO	非阻塞IO	水平触发（LT）	边缘触发（ET）
行为	等待IO完成才返回	立即返回，可能出错或返回部分数据	只要条件满足（例如，有数据），就持续通知	只有在状态发生变化时才通知一次
CPU 消耗	低（等待时不占用）	高（需要轮询）	适中	高（需要及时处理所有事件）
编程复杂度	低	较高（需要处理错误和轮询）	相对简单	较高（需要确保完整处理事件）
可靠性	高	取决于轮询策略	高（不易丢失事件）	较高，但需要正确处理，否则可能丢失事件
效率	低（并发处理能力差）	较低（轮询开销）	相对较低（可能重复通知）	较高（减少了重复通知）
常见应用	简单的客户端程序，单线程服务器	需要并发处理但对实时性要求不高的场景	select，poll，epoll（默认）	epoll（通过设置 EPOLLET 标志）

理解这四种概念对于进行高效的网络编程至关重要。在选择合适的IO模型和触发机制时，需要根据具体的应用场景、性能要求以及编程复杂度进行权衡。例如，对于需要处理大量并发连接且对性能要求极高的服务器，epoll 的边缘触发模式通常是一个不错的选择，但同时也需要开发者具备更高的编程技巧来确保程序的正确性。