五种网络IO模型

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前言

文件描述符

为什么要多种io模型

同步IO

1.阻塞IO

2.非阻塞IO

3.多路复用IO（事件驱动IO）

select:

poll：

epoll：

4.信号驱动IO

异步IO

区别

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前言

文件描述符

首先我们了解一下文件描述符是什么：在linux下一切皆文件，进程是通过文件描述符(file descriptors)来访问文件的，。默认有三个文件描述符：0(标准输入)，1(标准输出)，2(标准错误)。再打开一个新的文件的话，它的文件描述符就++。

为什么要多种io模型

网络IO，会涉及到两个系统对象，一个是用户空间调用IO的进程或线程，另一个是内核空间的内核系统，比如发生IO操作read时，它会经历两个阶段。

1.等待数据准备就绪2.将数据从内核拷贝到进程或线程中

因为在以上两个阶段上各有不同的情况，所以出现了多种网络 IO 模型。

同步IO

1.阻塞IO

在linux下，所有socket默认都是阻塞的，我要向一个文件描述符做read操作，此时内核里没有数据就绪，那么这个时候用户进程就会阻塞，直到内核数据就绪了，会将数据从内核拷贝到用户内存，然后返回结果，此时用户进程解除阻塞状态。

优点：开发简单，在阻塞期间用户线程挂起，挂起不会占用CPU资源。

缺点：不适合大并发，开销会非常大。

但是如果有多个client阻塞IO就不适用了，所以引用了多线程，但是如果数据规模太大了，会很占用系统资源，而且线程和进程容易进入假死状态。如果用线程池的话，数据规模非常非常大，线程池可能缓解部分压力，但是不能解决所有问题，所以我们要引入其它io模型。

2.非阻塞IO

设置socket为非阻塞，如果内核还未将数据准备好,系统调用仍然会直接返回。我要向一个文件描述符做read操作，如果有数据，则成功读取返回，如果没有数据，也返回，但带上错误码。使用这种方式的话，我们做读取，就必须每隔一段时间去看看，叫非阻塞轮询检测。

但是轮询提高CPU占用率，并且系统也提供了select（）多路复用模式，可以一次检测多个连接是否活跃，所以非阻塞IO一般在特定场景使用。

优点：每次发起 IO 调用，在内核等待数据的过程中可以立即返回，用户线程不会阻塞，实时性好

 缺点：多个线程不断轮询内核是否有数据，占用大量 CPU 资源，效率低。

3.多路复用IO（事件驱动IO）

单个进程/线程就可以同时处理多个IO请求，一个进程/线程可以监视多个文件句柄。

而多路复用IO利用了操作系统提供的一些机制，如select、poll、epoll，来同时监视多个I/O事件的状态。

select:

底层是数组，采用轮询，当用户进程调用了 select（每次调用select()方法，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历。），那么整个进程会被阻塞，一旦某个文件句柄就绪，select 就会返回。这个时候用户进程再调用 read 操作，将数据从内核拷贝到用户进程。

poll：

poll用链表方式存fd，没有最大数量fd限制，其余和select一样。

epoll：

只会返回就绪的文件描述符，而不是遍历整个文件描述符集合。

红黑树方式存fd，没有最大数量fd限制，可保存所有待检测的socket，所以只需要拷贝一次，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配，回调方式不是轮询，不会因为fd增多性能下降。缺点：只能在Linux下工作。

这里补充一个知识点：

Reactor（反应堆），三部分组成，多路复用器（同时阻塞io socket），事件派发，事件处理（回调处理）。

4.信号驱动IO

内核将数据准备好的时候，使用SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。

异步IO

用户进程发起操作之后，就可以开始去做其它的事。而另一方面，当内核收到read后首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞。然后内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，然后会给用户进程发送一个信号，告诉它操作完成了。

区别

阻塞IO，非阻塞IO，多路复用IO，信号驱动IO这四种的主要区别在第一阶段，他们在第二阶段是一样的：数据从内核缓冲区复制到调用者缓冲区期间都被阻塞住。异步 IO 都是非阻塞。

同步和异步，看是谁把内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区的，如果不是自己写代码实现的，那就是异步。