五种IO通信模型

相关概念：

在说五种IO通信模型之前，先说下几个容易混淆的概念，同步和异步，阻塞和非阻塞。

同步和异步：

主要是看调用方获取结果是主动发起的，还是被动通知的。主动发起的就是同步，被动通知的就是异步。

阻塞和非阻塞：

调用方调用某个方法后，在获取到返回结果之前。如果当前的线程处于挂起状态，什么都不能干，则是阻塞。如果当前线程是运行状态，可以处理其他任务，则是非阻塞。
举个例子，线程A调用了接口B后，一直等待接口的返回结果，则属于同步阻塞，如果线程A可以处理其它任务，但是需要不断轮询查看接口的返回结果，则属于同步非阻塞。如果线程A一直等着接口B的回调来获取结果，则属于异步阻塞，如果线程A可以处理其它任务，服务方会主动通知线程A的执行结果，则属于异步非阻塞。

五种IO通信模型

网络IO一般分为两步，第一步是等待数据，第二步是拷贝数据。由于等待数据一般会占用比较长的时间，为了提高IO效率，会考虑将步骤采用非阻塞的方式，或者异步的方式，或者采用多线程等。常见的IO模型有阻塞I/O、非阻塞I/O、多路复用I/O、信号驱动I/O、异步I/O。

1.阻塞I/O模型

阻塞IO交互上可以分为两个阶段：
第一阶段：用户进程调用recvfrom方法，内核收到请求后，就会准备数据。但是准备数据的过程是比较慢的，此时用户进程处于阻塞状态。
第二阶段：等到数据准备好之后，内核就开始拷贝数据，并且会把数据从内核拷贝到用户内存，然后返回结果。等到用户进程收到数据包后，才解除阻塞状态。

阻塞IO的特点是用户进程在两个阶段都被阻塞，进程阻塞状态不消耗CPU资源，开发难度低，只适合并发量小的场景。
但是每个请求都会分配一个线程（进程）来相应请求，系统开销比较大。
常见的listen()，send()，recv()都是阻塞型的。

2.非阻塞I/O模型

非阻塞IO交互上也可以分为两个阶段：
第一阶段：用户进程调用recvfrom方法，内核收到请求后就开始准备数据，如果当前数据未准备好，系统也不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个EWOULDBLOCK错误，用户进程收到EWOULDBLOCK之后，就知道数据还没有准备好，可以等一段时间之后轮询调用recvfrom方法，直到数据准备好。
第二阶段：等到数据准备好后，如果再次收到了用户进程调用的recvfrom方法，就会把数据拷贝到用户内存，并且返回成功。

非阻塞IO的特点是第一阶段属于非阻塞的，但是需要用户进程不断地轮询调用recvfrom方法，消耗CPU资源，适合并发量小并且不需要及时响应的场景。

3.多路复用I/O模型

多路复用IO，多个进程的IO可以注册到一个Selector上，用户进程调用select方法后，Selector会监听注册进来的所有IO，如果所有的IO在内核都没有可读的数据，那么select调用进程会被阻塞，当任意一个IO有可读数据，select调用就会返回。之后select调用进程可以发送recvfrom调用来读取数据，也可以通知另外的进程来读取数据。多路复用也分为2个阶段：
第一阶段：用户进程调用select方法，如果数据未准备好，也是会阻塞。但是这里有多个IO进程注册在上面，任何一个IO的数据准备好，就会返回。
第二阶段：任何一个IO的数据准备好后，再次发起recvfrom调用来获取数据。

多路复用IO的特点是会发起两次系统调用，第一次select，第二次recvfrom。比阻塞IO还多发起一次调用。但是Selector的优势是可以同时监听多个IO，能够处理更多连接，而不是单个连接更快。多路复用IO适合高并发的场景。

4.信号驱动I/O模型

信号驱动IO模型也可以分为两步：
第一阶段：用户进程调用sigaction方法，向内核注册一个信号处理函数，然后就可以返回了，接下来进程不会阻塞，可以继续执行其他任务。
第二阶段：等到数据准备好后，内核会给用户进程发送一个SIGIO信号，用户进程便可以在信号处理函数中调用recvfrom方法来读取数据，读取数据的过程还是阻塞的。

信号驱动IO模型在数据拷贝阶段还是阻塞的，没有实现真正的异步，应用场景比较少。

5.异步I/O模型

异步IO也分为两个阶段：
第一阶段：用户进程发起aio_read调用，内核收到调用后，会立刻返回，之后用户进程就可以执行其他操作了。内核会完成数据的准备工作。
第二阶段：数据准备好后，内核会把数据拷贝到用户内存，等到所有操作完成后，内核会给用户进程发送信号，告诉它aio_read操作已经完成。

异步IO是五种通信模型中，真正实现异步的模型，适合高性能，高并发的场景，但是需要操作系统底层支持，开发和实现难度比较大。