5种Linux网络I/O模型介绍

一.概述

1.1文件描述符

Linux的内核将所有外部设备都看做一个文件来操作，对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，返回一个fd即文件描述符。

1.2 系统调用、用户空间、内核空间

为了保证操作系统的安全，将内存划分为内核空间和用户空间。内核空间的进程，可以访问硬件执行IO等操作，用户空间的进程只能通过系统调用来访问IO等系统资源。

1.3 IO模型划分依据

以读操作为例，在Linux系统中一次读操作可以分为两步。一是数据被拷贝到内核的缓冲区中；二是从内核缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所以，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段

1. 等待数据准备（等待数据到达内核）（Waiting for the data to be ready）
2. 将数据从内核拷贝到进程中（Copying the data from the kernel to the process）

正因为这两个阶段的存在，才产生了以下5种IO模型：

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• IO多路复用
• 信号驱动IO
• 异步IO

二.5种IO模型

2.1阻塞IO

阻塞I/O是默认情况下采用的I/O模型。以套接字接口为例，一次读取数据的操作如下：在进程空间调用recvform系统调用，等待数据到达内核，等待数据从内核拷贝到用户空间。整个等待过程进程都是阻塞的。其过程如下图所示：

特点：在IO执行的两个阶段进程都会都阻塞

2.2 非阻塞I/O

执行非阻塞I/O系统调用时，如果内核中的数据还没有准备好，会直接返回，不会阻塞。通过进程不断查询，直到数据在内核中就绪，便开始拷贝到用户空间。拷贝的过程中，进程还是被阻塞了，所有非阻塞IO也是同步IO。

特点：需要进程不断地主动询问kernel数据是否准备好了

2.3 I/O多路复用模型

单个进程处理多个网络连接IO，使用select\poll\epoll三种系统调用，不断轮询所有的连接，如果有数据到达内核则通知进程，进行数据拷贝到用户内存。

当调用select时，进程会进入阻塞状态，直到有数据到达。
这个图看起来和阻塞IO区别不大，甚至还多使用了一个系统调用

但它的优势在于可以同时监控多个IO连接。

所以，如果连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web servet性能更好。多路IO复用的优势并不是对于单个连接能处理的更快，而在于能处理更多的连接。

特点：优势在于同时处理大量请求

2.4 信号驱动I/O模型

执行过程：开启套接口信号驱动I/O功能，调用sigaction执行一个信号处理函数(此调用是非阻塞的)；当数据准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知应用程序调用recvform来读取数据，并通知主循环函数处理数据。

2.5 异步I/O

发起read操作后进程立马返回，整个Io过程不会产生任何block。kernel会等等数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存。当这一切都完成后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。
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