五种网络IO模型总结

概述

在网络上看到很多关于阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO的例子，总觉得写的过于复杂并且让人难以理解。于是我把我自己把这几个概念的理解写下来以供参考。

POSIX

POSIX(可移植操作系统接口)把同步IO操作定义为导致进程阻塞直到IO完成的操作，反之则是异步IO
I/O 操作一般分为两个部分：

• 阶段1：应用程序发起 I/O 操作请求，等待数据，或者将要操作的数据拷贝到系统内核中（比如 socket）。
• 阶段2：系统内核进行 I/O 操作（一般是内核将数据拷贝到用户进程中）。

简述阻塞、非阻塞、同步、异步

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞发生在请求处，也就是阶段1 ，关注的是程序在等待调用结果时的状态。

• 阻塞是指调用结果返回之前，当前进程（线程）会被挂起，调用进程（线程）会阻塞在IO请求处，直到IO操作请求完成，数据到来，最重要的是用户进程的函数在请求过程中不会返回。
  

  • eg：recv()函数默认是阻塞的，什么是阻塞呢？就是当你调用recv()函数时，整个进程或者线程就等待在这里了，直到你recv的fd的所有信息都被send过来，这么做好处就是保证所有信息都能够完整的读取了，但劣势也很明显，就是在recv()的过程中你的进程或线程做不了其它事情，由此，引入了非阻塞IO。

• 非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞进程（线程），进程（线程）可以去干别的事情，一般使用轮询的方法来查询IO操作的数据是否准备好了。
  

  • eg：以recv()函数为例，当你将其设置为非阻塞时，每次当你recv()时，就直接返回，不管信息有没有完全send进来，好处很明显，recv()了之后进程马上能处理下一行代码，坏处也很明显，就是你不知道你的消息是否读完了，这种问题就是TCP中大名鼎鼎的半包问题（解决办法主要是通过一个buffer缓存所有读进来的消息）

• 当使用I/O 多路复用的时候，用户的 I/O 操作会立即返回，但会利用 select 和 epoll 等方法对所监视的 I/O 操作描述符进行遍历轮询（此操作是为了检查数据是否准备完毕，也就是 I/O 操作的阶段1，同时此操作是阻塞，进程或者线程需要等待轮询结果的返回），查看可用的句柄并返回。然后用户进程再对其进行操作。

同步/异步IO

• 同步和异步关注的是消息通信机制，具体来说就是调用者是否等待调用结果的返回，对于 I/O 操作而言，就是应用程序是否等待 I/O 操作完成。
  • eg: 以recv()函数为例， 不管 是否设置为阻塞还是非阻塞(阶段1)，都有一个将内核数据拷贝到用户进程的I/O操作(阶段2)，如果用户进程等待I/O操作返回，则为同步，反之则为异步。

同异步io和阻塞非阻塞io的区别

结合前面的概念，可以看出，其实这两者存在本质的区别，它们的修饰对象是不同的。

• 阻塞和非阻塞是指进程访问的数据如果尚未就绪，进程是否需要等待，简单说这相当于函数内部的实现区别，也就是未就绪时是直接返回还是等待就绪。
• 同步和异步是指访问数据的机制，同步一般指主动请求并等待 I/O 操作完毕的方式，当数据就绪后在读写的时候必须等待，异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务，随后等待 I/O，操作完毕的通知，这可以使进程在数据读写时也不阻塞。

只有同步的时候，才会有是否阻塞之说。

IO多路复用

这里在调用recv前先调用select或者poll，这两个个系统调用都可以在内核准备好数据(网络数据到达内核)时告知用户进程，这个时候再调用recv一定是有数据的。因此这一过程中它是阻塞于select或poll，而没有阻塞于recv，有人将非阻塞IO定义成在读写操作时没有阻塞于系统调用的IO操作(不包括数据从内核复制到用户空间时的阻塞，因为这相对于网络IO来说确实很短暂)，如果按这样理解，这种IO模型也能称之为非阻塞IO模型，但是按POSIX来看，它也是同步IO，称之为同步非阻塞IO。

这种IO模型比较特别，分个段。因为它能同时监听多个文件描述符(fd)。当有文件描述符有就绪事件时，则返回就绪事件的文件描述符来进行读写。

异步

调用aio_read，让内核等数据准备好，并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。整个过程没有recv，这才是真正的异步IO。

信号驱动

通过调用sigaction注册信号函数，等内核数据准备好的时候系统中断当前程序，执行信号函数(在这里面调用recv)。是不是很像异步IO？很遗憾，它还是同步IO(省不了数据从内核拷贝到用户空间的操作)。

总结比较下五种IO模型

总结

IO分两阶段：

1.数据准备阶段
2.内核空间复制回用户进程缓冲区阶段

一般来讲：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型(select/poll/epoll)、信号驱动IO模型都属于同步IO，因为阶段2是阻塞的(尽管时间很短)。只有异步IO模型是符合POSIX异步IO操作含义的，不管在阶段1还是阶段2都可以干别的事。

ps：以上图片均截自UNIX网络编程卷1。