libevent（3）IO模型基础知识

一、用户态和内核态

    我们知道现在的操作系统是分层的，内核封装了与底层的接口，通过系统调用提供给上层应用使用。 当进程运行在内核空间时，它就处于内核态；当进程运行在用户空间时，它就处于用户态。

    当我们需要进行IO操作时，如读写硬盘文件、读写网卡数据等，进程需要切换到内核态。一般情况下，应用不能直接操作内核空间的数据，需要把内核态的数据拷贝到用户空间才能操作。

    应用程序向操作系统发出IO请求：应用程序发出IO请求给操作系统内核，操作系统内核需要等待数据就绪，这里的数据可能来自别的应用程序或者网络。 一般来说，一个IO分为两个阶段：

    先读取到内核缓存，等待数据准备好。再读取到用户进程，将数据从内核读取到用户空间。

    1、等待数据： 数据可能来自其他应用程序或者网络，如果没有数据，应用程序就阻塞等待。

    2、拷贝数据： 将就绪的数据拷贝到应用程序工作区。

    在Linux系统中，操作系统的IO操作是一个系统调用recvfrom()，即一个系统调用recvfrom包含两步，等待数据就绪和拷贝数据。

二、2个容易混淆的概念

1、阻塞与非阻塞

    阻塞和非阻塞是针对进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式。
（1）阻塞指的是当试图对该文件描述符进行读写时，如果当时没有东西可读，或暂时不可写，程序就进入等待状态，直到有东西可读或可写为止。 比如我们去窗口办事的时候，发现工作人员碰巧不在，然后我们就在原地等待，一直等到工作人员回来为止。
（2）非阻塞指的是如果没有东西可读，或不可写，读写函数马上返回，而不会等待。 去银行办业务时，领取一张小票，之后我们可以去干其他的事情，当轮到我们时，银行会通知，这时候我们就可以去办业务了。

2、同步与异步

    同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。
（1）同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪。 例如：自己亲自干这件事，别的事干不了。
（2）异步指的是用户进程触发IO操作以后便开始做其他的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。 例如：告诉朋友自己合适衣服的尺寸、颜色、款式，委托朋友去买，然后自己可以去干别的事。（使用异步I/O时，将I/O读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS）。

三、IO模型

1、同步阻塞（同步IO）

 在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当IO操作完成之后，用户进程才能运行。 

2、同步非阻塞（同步IO）

在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后就可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时地询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引起不必要的CPU资源浪费。 

3、多路复用（同步IO）

多路复用中，通过select函数，可以同时监听多个IO请求的内核操作，只要有任意一个IO的内核操作就绪，就可以通知select函数返回，再进行系统调用recvfrom()完成IO操作。

我们通常所说的select，epoll就是这种方式。多路复用中，通过select函数，可以同时监听多个IO请求的内核操作，只要有任意一个IO的内核操作就绪，都可以通知select函数返回，再进行系统调用recvfrom()完成IO操作。

注意：
    当一个服务器 在处理多个客户时，绝对不能阻塞于单个客户相关的系统函数调用。否则导致服务器端程序被挂起，不能为其它客户提供服务。解决方法如下： 
（1）使用非阻塞式I/O。

（2）对每个客户有单独的控制进程提供服务。

（3）对每个I/O操作设置一个超时。 

4、信号驱动IO（同步IO）

应用程序发起IO请求时，可以给IO请求注册一个信号函数，请求立即返回，操作系统底层则处于等待状态（等待数据就绪），直到数据就绪，然后通过信号通知主调程序，主调程序才去调用系统函数recvfrom()完成IO操作。

信号驱动IO的特点：

（1）相比前面的非阻塞式IO模型，信号驱动式IO模型不需要轮询检查底层IO数据是否就绪，而是被动接收信号，然后再调用recvfrom执行IO操作。

 （2）相比多路复用IO模型来说，信号驱动IO模型针对的是一个IO的完成过程， 而多路复用IO模型针对的是多个IO同时进行时候的场景。

注意：

（1）对于TCP套接字：信号驱动式IO不适合处理TCP套接字，因为信号产生的过与频繁，在TCP中，连接请求完成、断开连接发起、断开连接完成、数据到达、数据送走。。。都会产生SIGIO。但是我们真正只需要它在数据到达或者数据送走的时候才产生信号。 
（2）对于UDP套接字：SIGIO信号在数据报到达套接字以及套接字上发生异步错误才会发生。（UDP套接字推荐使用）。 

5、异步IO

    异步IO将整个IO操作（包括等待数据就绪，复制数据到应用程序工作空间）全都交给操作系统完成。 数据就绪后操作系统将数据拷贝进应用程序运行空间之后，操作系统再通知应用程序，这个过程中应用程序不需要阻塞。

 四、IO模型对比

举一个现实生活中的例子：
如果你想吃饭。
同步阻塞：你到饭馆点餐，然后在那儿等着，还要一直喊：好了没啊！
同步非阻塞：在饭馆点完餐，就去遛狗了。不过遛一会儿，就回饭馆喊一声：好了没啊！
多路复用：在多个饭馆点餐，然后查看哪家饭馆先做好，谁先做好就吃谁的。
信号驱动：遛狗的时候，接到饭馆电话，说饭做好了，让您亲自去拿。
异步非阻塞：饭馆打电话说，我们知道您的位置，一会儿给你送过来，安心遛狗就可以了。

五：总结

（1）阻塞、非阻塞、多路IO复用，都是同步IO。
（2）异步必定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。
（3）真正的异步IO需要CPU的深度参与。 换句话说，只有用户线程在操作IO的时候根本不去考虑IO的执行，全部都交给CPU去完成，而只需要等待一个完成信号的时候，才是真正的异步IO。 所以，fork子线程去轮询、死循环或者使用select、poll、epoll，都不是异步。
（4）阻塞方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
（5）非阻塞方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
（6）异步方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。