面试题——网络IO模型

一、socket

socket是在应用层和传输层中间的抽象层，它把传输层（TCP/UDP）的复杂操作抽象成一些简单的接口，供应用层调用实现进程在网络中的通信。Socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件的思想下，进程间通信就被冠名为文件描述符（file desciptor），Socket是一种“打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个“文件”，在建立连接打开后，可以向文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

 Socket就像一个电话插座，负责连通两端的电话，进行点对点通信，让电话可以进行通信，端口就像插座上的孔，端口不能同时被其他进程占用。而我们建立连接就像把插头插在这个插座上，创建一个Socket实例开始监听后，这个电话插座就时刻监听着消息的传入，谁拨通我这个“IP地址和端口”，我就接通谁。

二、Socket通信过程

像图中的listen（）、send（）等接口都为阻塞接口。

三、网络IO模型

1.阻塞IO（blocking I/O）

概念：用户发出read请求时，如果数据并没有准备好，那么系统一直处于等待状态，当拿到结果后才会向下执行；否则一直处于阻塞状态。（在内核将数据准备好之前，系统调用会一直等待所有的套接字，默认的是阻塞方式。）
形象的例子：A拿着一支鱼竿在河边钓鱼，并且一直在鱼竿前等，在等的时候不做其他的事情，十分专心。只有鱼上钩的时，才结束掉等的动作，把鱼钓上来。

其实，我们例子中所说的鱼竿就是这一个文件描述符。这个模型是我们最常见的，程序调用和我们编写的基本程序是一致的。

几乎所有的接口都是阻塞接口，这就造成了效率低下、CPU资源浪费等一系列问题。

优化方法：①socket套接字一次可以accept多次②使用多进程或多线程

2.非阻塞IO（noblocking I/O）

概念：当用户发出read操作后，如果内部数据并没有准备好，会迅速返回一个ERROR（与阻塞IO不同点之一），用户可以马上收到一个回复，同样也会一直等待数据准备好，这期间会一直不断询问数据的准备情况（与阻塞IO不同点之二）。

例子：B也在河边钓鱼，但是B不想将自己的所有时间都花费在钓鱼上，在等鱼上钩这个时间段中，B也在做其他的事情（一会看看书，一会读读报纸，一会又去看其他人的钓鱼等），但B在做这些事情的时候，每隔一个固定的时间检查鱼是否上钩。一旦检查到有鱼上钩，就停下手中的事情，把鱼钓上来。

其实，B在检查鱼竿是否有鱼，是一个轮询的过程。

每次客户询问内核是否有数据准备好，即文件描述符缓冲区是否就绪。当有数据报准备好时，就进行拷贝数据报的操作。当没有数据报准备好时，也不阻塞程序，内核直接返回未准备就绪的信号，等待用户程序的下一个轮寻。但是，轮寻对于CPU来说是较大的浪费，一般只有在特定的场景下才使用。

3.信号驱动IO（signal blocking I/O）

概念：发出请求后如果没有收到结果，不会继续阻塞能够做其他的工作。

例子：C也在河边钓鱼，但与A、B不同的是，C比较聪明，他给鱼竿上挂一个铃铛，当有鱼上钩的时候，这个铃铛就会被碰响，C就会将鱼钓上来。

信号驱动IO模型，应用进程告诉内核：当数据报准备好的时候，给我发送一个信号，对signal信号进行捕捉，并且调用我的信号处理函数来获取数据报。

4.IO多路转接（I/O multiplexing）

例子：D同样也在河边钓鱼，但是D生活水平比较好，D拿了很多的鱼竿，一次性有很多鱼竿在等，D不断的查看每个鱼竿是否有鱼上钩。增加了效率，减少了等待的时间。

IO多路转接是多了一个select函数，select函数有一个参数是文件描述符集合，对这些文件描述符进行循环监听，当某个文件描述符就绪时，就对这个文件描述符进行处理。

其中，select只负责等，recvfrom只负责拷贝。
IO多路转接是属于阻塞IO，但可以对多个文件描述符进行阻塞监听，所以效率较阻塞IO的高。

5.异步IO（asynchronous I/O）

例子：E也想钓鱼，但E有事情，于是他雇来了F，让F帮他等待鱼上钩，一旦有鱼上钩，F就打电话给E，E就会将鱼钓上去。

当应用程序调用aio_read时，内核一方面去取数据报内容返回，另一方面将程序控制权还给应用进程，应用进程继续处理其他事情，是一种非阻塞的状态。

当内核中有数据报就绪时，由内核将数据报拷贝到应用程序中，返回aio_read中定义好的函数处理程序。

很少有Linux系统支持，Windows的IOCP就是该模型。

6.阻塞程度

可以看出，阻塞程度：阻塞IO>非阻塞IO>多路复用IO>信号驱动IO>异步IO，效率是由低到高的。
前四种都属于同步IO。