IO模型（阻塞，非阻塞，多路复用）

在了解IO模型前，先了解什么叫IO，IO得操作是怎么样的？

        IO既输入输出，指的是一切操作程序或设备与计算机之间发生的数据传输的过程。它分为IO设备和IO接口两个部分。

• IO设备：就是指可以与计算机进行数据传输的硬件。最常见的I/O设备有打印机、硬盘、键盘和鼠标。从严格意义上来讲，它们中有一些只能算是输入设备（比如说键盘和鼠标）；有一些只是输出设备（如打印机）。
• IO接口：就是是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

那IO是怎么操作这些进行数据的传输呢？

而用户进程中的一个完整IO分为两个阶段：

• 用户空间与内核空间交互
• 内核空间与设备空间交互

 Linux中的五种IO模型有阻塞IO模型、非阻塞IO模型、信号驱动IO模型、IO多路复用模型、异步IO模型。通常有同步(Sync)/异步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四种调用方式。

同步与异步

• 所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。也就是必须一件一件事做，等前一件做完了才能做下一件事。（死等结果）
• 所谓异步，就是当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果，调用者不用等待这件事完成，可以继续做其他的事情。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。（回调通知）

阻塞与非阻塞

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，CPU不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。函数只有在得到结果之后才会返回。
• 非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

总的来说就是：同步与异步是 两个对象之间的关系，而阻塞与非阻塞是一个对象的状态。

阻塞IO模型（blocking I/O）

场景描述

        点完餐后，不知道什么时候能做好，只好坐在餐厅里面等，直到做好，然后吃完才离开。但是不知道饭能什么时候做好，只好在餐厅等，而不能去逛街，直到吃完饭才能去逛街，中间等待做饭的时间浪费掉了。这就是典型的阻塞。

优点：

1. 能够及时返回数据，无延迟；
2. 对内核开发者来说这是省事了； 缺点：
3. 对用户来说处于等待就要付出性能的代价了；

非阻塞IO模型（nonblocking I/O）

场景描述

        我女友不甘心白白在这等，又想去逛商场，又担心饭好了。所以我们逛一会，回来询问服务员饭好了没有，来来回回好多次，饭都还没吃都快累死了啦。这就是非阻塞。需要不断的询问，是否准备好了。

同步非阻塞就是 “每隔一会儿瞄一眼进度条” 的轮询（polling）方式。所以，非阻塞 IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。

缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

IO多路复用模型（I/O multiplexing）

场景描述

        与第二个方案差不多，餐厅安装了电子屏幕用来显示点餐的状态，这样我和女友逛街一会，回来就不用去询问服务员了，直接看电子屏幕就可以了。这样每个人的餐是否好了，都直接看电子屏幕就可以了，这就是典型的IO多路复用。

I/O多路复用的主要应用场景如下：

1. 服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字。
2. 服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。

在IO 多路复用模型中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，整个用户的进程其实是一直被block的。只不过进程是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。所以IO多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用上。

然后下面来几个IO操作例子：

阻塞：

int main()
{
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(9999);
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx");

	bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));
	listen(sockfd,10);
	
	int fd[5];
	for(int i = 0;i < 5;i++)
	{
		fd[i] = accept(sockfd,NULL,NULL);
	}
	printf("accept 5 ok\n");

	//在进程中与5个客户端进行通信
	char buf[20];
	bzero(buf,20);
	read(fd[0],buf,20);//阻塞等待fd[0]进行读操作，才能继续执行
	printf("buf is %s\n",buf);
	
	bzero(buf,20);
	read(fd[1],buf,20);
	printf("buf is %s\n",buf);
	
	bzero(buf,20);
	read(fd[2],buf,20);
	printf("buf is %s\n",buf);
	
	bzero(buf,20);
	read(fd[3],buf,20);
	printf("buf is %s\n",buf);
	
	bzero(buf,20);
	read(fd[4],buf,20);
	printf("buf is %s\n",buf);
}

通过例子可以发现，如果fd[0]没有打印，那么后面将都不会打印。既阻塞等待fd[0]的IO操作之后在进行其他fd里面的操作。

非阻塞：

int main()
{
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(9999);
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("xxx.xxx.xxx.xxx");

	bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));

	listen(sockfd,10);
	
	int fd[5];

	for(int i = 0;i < 5;i++)
	{
		fd[i] = accept(sockfd,NULL,NULL);//阻塞非阻塞属性是在文件描述符中设置
		int flag = fcntl(fd[i],F_GETFL);
		flag = flag | O_NONBLOCK;//添加非阻塞
		fcntl(fd[i],F_SETFL,flag);//把修改后的属性设置回fd[i]
	}

	sleep(10);
	while(1)
	{
	    int num = 0;

	    //在进程中与5个客户端进行通信
	    char buf[20];
	    bzero(buf,20);
	    num = read(fd[0],buf,20);//非阻塞	
	
	    bzero(buf,20);
	    read(fd[1],buf,20);
	    printf("buf is %s\n",buf);
	
	    bzero(buf,20);
	    read(fd[2],buf,20);
	    printf("buf is %s\n",buf);
	
	    bzero(buf,20);
	    read(fd[3],buf,20);
	    printf("buf is %s\n",buf);
	
	    bzero(buf,20);
	    read(fd[4],buf,20);
	    printf("buf is %s\n",buf);
	}
}

非阻塞的缺点就是太占用系统资源了，需要反复的去查看是否接收到信息。

多路复用IO：

int main()
{
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	struct sockaddr_in addr;
	addr.sin_family = AF_INET;
	addr.sin_port = htons(9999);
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.3.172");

	bind(sockfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr));
	listen(sockfd,10);
	
	int fd[5];
	for(int i = 0;i < 5;i++)
	{
		fd[i] = accept(sockfd,NULL,NULL);
	}

	//IO多路复用，应该同时管理多个fd
	fd_set readfds;//读表

	FD_ZERO(&readfds);
	FD_SET(fd[0],&readfds);//把文件描述符加入进表中
	FD_SET(fd[1],&readfds);
	FD_SET(fd[3],&readfds);
	FD_SET(fd[4],&readfds);

	while(1)
	{
	    fd_set temp = readfds;
    	int num = 0;
    	num = select(fd[4]+1,&temp,NULL,NULL,NULL);//只管理文件描述符的读操作，只监视文件描述符可读
	    if(num > 0)
    	{
    		printf("%d\n",num);
	    	//把readfds中只剩下可操作的（别的客户端发送了数据，当前fd可读）的文件描述符
	    	for(int i = 0; i < fd[4]+1;i++)
	    	{
		    	if ( FD_ISSET(i,&temp) )
		    	{	
			    	char buf[20];
		    		read(i,buf,20);//别人发送了数据，当前i文件描述符，可读
		    		printf("fd is %d,data is %s\n",i,buf);
		    	}
			}
        }
	}
	return 0;
}

多路复用IO既谁开始发信号那么就对那个文件描述符进行操作。