網(wǎng)絡編程之五種I/O模型-創(chuàng)新互聯(lián)

一.概述：

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在網(wǎng)絡編程中，阻塞、非阻塞、同步、異步經(jīng)常被提到，下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

五種I/O模型分別是阻塞式I/O，非阻塞式I/O，信號驅(qū)動，I/O復用（這四種是同步I/O），異步I/O。

我來舉一個例子來解釋這五種I/O模型：

有A，B，C，D，E五個人在釣魚：
A用的是最老式的魚竿，所以呢，得一直守著，等到魚上鉤了再拉桿。（阻塞式I/O）

B呢，它的魚竿比較新，不怕魚上鉤后把魚竿拽走，所以他一邊看手機，一邊時不時看一下魚竿是否有魚上鉤，有的話就迅速拉魚竿。（非阻塞式I/O）

C的魚竿有個功能，能夠顯示是否有魚上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會再看看有沒有魚上鉤，有的話就迅速拉桿。（信號驅(qū)動）

D用的魚竿和C差不多，但他想了一個好辦法，就是同時放好幾根魚竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說魚上鉤了，它就將對應的魚竿拉起來；（I/O復用）

E是個有錢人（有錢人了不起?。?，干脆雇了一個人幫他釣魚，一旦那個人把魚釣上來了，就給E發(fā)個短信。（異步I/O）

下面我先談以下我所理解的在I/O中的阻塞、非阻塞、同步、異步。

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二.I/O操作過程：

首先，進行I/O操作涉及到了硬件，所以就會和操作系統(tǒng)打交道。（從網(wǎng)卡這兩個讀取/發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡中是操作系統(tǒng)做的）所以，先解釋以下我理解的I/O過程（總的來說是  等數(shù)據(jù) 和 數(shù)據(jù)搬遷  這兩個過程）

首先，通過系統(tǒng)給我們的API函數(shù)調(diào)用I/O操作（此時在用戶態(tài)），這個函數(shù)先等待I/O緩存中有數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)會監(jiān)測I/O緩存（此時在內(nèi)核態(tài)），當I/O緩存中接收到數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)先通知這個函數(shù)調(diào)用（進入用戶態(tài)），然后這個函數(shù)的實現(xiàn)中會調(diào)用一些已經(jīng)包裝好的函數(shù)，“ 這些 ”函數(shù)會把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中拷貝到用戶緩存區(qū)（先到內(nèi)核態(tài)，再到用戶態(tài)），然后這個函數(shù)就會返回。

具體如下圖：

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三.I/O操作中的阻塞、非阻塞、同步、異步：

（1）.同步：同步就是在一個功能調(diào)用時，在這個調(diào)用沒有得到結(jié)果之前，這個調(diào)用不會返回。（在I/O操作中，如調(diào)用read函數(shù)，這個函數(shù)會被阻塞在read函數(shù)調(diào)用處，但內(nèi)核一直在做與read相關的事情，也就是這個函數(shù)是激活的（會占用cpu），只是從表面上看函數(shù)還沒有返回而已）。

（2）.阻塞：阻塞調(diào)用就是調(diào)用一個函數(shù)，這個調(diào)用結(jié)果沒有得到結(jié)果之前，執(zhí)行這個函數(shù)的線程會被掛起（這個狀態(tài)下，cpu不會給該函數(shù)分配時間片），直到得到結(jié)果后才返回。

（3）.非阻塞：是指如果一個函數(shù)不能立刻得到結(jié)果，這個函數(shù)不會阻塞該線程而立即返回。

（4）.異步：是指在一個功能調(diào)用時，這個調(diào)用不會立即得到結(jié)果，也不會阻塞該線程，這個調(diào)用所在的線程會繼續(xù)執(zhí)行其它事情，而這個功能是由其它執(zhí)行部件來完成，當這個部件執(zhí)行完該功能時，通過狀態(tài)，通知來通知調(diào)用者，或通過回調(diào)函數(shù)處理這個調(diào)用。

執(zhí)行部件和調(diào)用者可以通過三種途徑返回結(jié)果：
a.  狀態(tài)、
b.  通知、
c.  回調(diào)函數(shù)。
使用哪一種依賴于執(zhí)行部件的實現(xiàn)，除非執(zhí)行部件提供多種選擇，否則不受調(diào)用者控制。

a. 如果執(zhí)行部件用狀態(tài)來通知，
  那么調(diào)用者就需要每隔一定時間檢查一次，效率就很低

b. 如果是使用通知的方式，
  效率則很高，因為執(zhí)行部件幾乎不需要做額外的操作。

c. 至于回調(diào)函數(shù)，
  和通知沒太多區(qū)別。

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四.五種I/O模型：（理解了上面的知識，下面應該比較容易理解了）

（1）.阻塞式I/O：

 應用程序調(diào)用一個IO函數(shù)，導致應用程序阻塞，等待數(shù)據(jù)準備好。 如果數(shù)據(jù)沒有準備好，一直等待….數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，IO函數(shù)返回成功指示。

如下圖：

（2）.非阻塞式I/O：

在非阻塞I/O中，一定要把一個I/O操作函數(shù)放在一個死循環(huán)中，直到這個I/O函數(shù)返回一個正確值時才跳出這個循環(huán)。

我們把一個SOCKET接口設置為非阻塞就是告訴內(nèi)核，當所請求的I/O操作無法完成時，不要將線程睡眠，而是返回一個錯誤。這樣我們的I/O操作函數(shù)將不斷的測試數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準備好，如果沒有準備好，繼續(xù)測試，直到數(shù)據(jù)準備好為止。在這個不斷測試的過程中，會大量的占用CPU的時間。

如下圖：

（3）.信號驅(qū)動：

 首先要允許接口進行信號驅(qū)動I/O，然后安裝一個信號處理函數(shù)，線程繼續(xù)運行并不阻塞。當數(shù)據(jù)準備好時，線程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

如下圖：

（4）.I/O復用：

I/O 復用模型會用到select、poll、epoll函數(shù)，這幾個函數(shù)也會使進程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的，這幾個函數(shù)可以同時阻塞多個I/O操 作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數(shù)進行檢測，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫時，才真正調(diào)用I/O操作函數(shù)。（比阻塞式I/O并沒有上面優(yōu)越性，但它實現(xiàn)了對多個I/O端口的監(jiān)聽）

如下圖：

（5）.異步I/O：

當一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者的輸入輸出操作。

如下圖：

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六.五種I/O模型比較：

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七.總結(jié)：

理解五種I/O模型應該先理解I/O操作過程，并理解阻塞，非阻塞，同步，異步的一些知識。

I/O操作要和硬件打交道，所以會I/O操作過程會涉及到操作系統(tǒng)。

處理I/O操作分為兩個過程，一是等待數(shù)據(jù)，二是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中搬到用戶空間。

這五中I/O模型的不同之處是在等待數(shù)據(jù)的方式上，在第二個過程中是一樣的，都是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核中搬到用戶空間，然后進行相關操作。

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