Unix五种I/O模型（阻塞、非阻塞、多路复用、信号驱动、异步）

概要

在工作中，经常使用Nginx、Redis等开源组件，常提到其高性能的原因是网络I/O的实现是基于epoll（多路复用）。这次呢就基于Unix网络编程卷1的第6章【I/O复用：select和poll函数】，总结下Unix五种I/O模型（阻塞、非阻塞、多路复用、信号驱动、异步）。

一、I/O基础

我们在Linux下进行网络编写时，一般是通过Glibc库的Socket API（socket、bind、listen、accept、read、write、connect、close等API）来完成的，如下图：

这只是表面的使用，那socket之下的OSI五层模型是如何体现的呢？见下图：

二、阻塞式I/O

阻塞式I/O是最基本的I/O模型，很好理解，就是每次系统调用（以read、waite API为例）时，如果此时不可读或写，那么调用会被阻塞，让后进程被挂起，直到内核通知进程可读或可写时，进程被唤醒，进行读写操作。
如下图：

ps:以recvfrom函数作为系统调用的代表，其他章节也如此。
阻塞式I/O实战(多进程模型)

三、非阻塞式I/O

非阻塞式I/O模型如下图：

可以明显感觉到阻塞是I/O模型很低效，于是非阻塞式I/O模型诞生了，其进行系统调用（以read、waite API为例）时，如果此时不可读或写，那么就返回一个错误码（EAGAIN或EWOULDBLOCK），而不是阻塞当前进程，这样进程可以处理其他任务后再进行系统调用。
非阻塞式I/O模型实战。

三、I/O多路复用

不管是阻塞I/O还是非阻塞I/O,其同一时刻只能以一个客户端建立连接，如果要同时与多个客户端维持连接，即管理多个socket连接，分化出了两种编程模型：

• 1）多线程或进程；
• 2）通过数组等方式保存socket fd，不断轮询；
  在没有多路复用之前，实现与多个客户端维持连接的传统方法是多线程或进程，但是起一个子线程或进程的系统开销过大，所以可同时维持的客户端连接数量非常有限。

之所以传统维持多个客户端连接不常用第二种方式，主要是实现过于复杂，由于社会发展，基于阻塞or非阻塞模型的多进程/线程技术不足以支撑如此多的客户端，于是引入了I/O多路复用，即第二种方式来管理多个socket连接。

I/O多路复用解释如下：
多路：多个socket连接（即多个客户端连接）；
复用：允许内核监听多个socket描述符，一旦发现进程指定的一个或多个I/O事件就绪（TCP三次握手成功、可读，可写），就通知该进程。

其模型图如下：

I/O多路复用的API依次有三个select、poll、epoll。其中epoll性能最高，往往与Reactor编程模式结合，是目前常用的高效搭配模式。
select实战；
poll实战；
epoll实战。

本人研究Redis相关源码时，观察到其在Linux下就是通过epoll+非阻塞I/O+Reactor组合来处理I/O事件，是搞起高性能的一个关键点。

四、信号驱动I/O

信号驱动IO模型，顾名思义，其是通过信号来完成的，即当socket描述符准备就绪时，内核发送SIGIO通知进程。

信号驱动IO模型实战。

这种模型的优势在于等待socket就绪期间进程不会被阻塞，主循环依旧可以执行，只需关注来自信号函数的通知即可。但是该模型在实际项目中很少使用，了解理解即可。

五、异步I/O

异步I/O由POSIX规范定义。一般来说其工作机制：告知内核启动某个动作，并让内核将整个动作（包括将数据从内核复制到用户缓冲区）完成后通知进程。

该机制与信号驱动I/O模型的区别是：信号驱动I/O模型是由内核通知进程何时可以开始一个I/O操作，但异步I/O是由内核通知进程I/O操作何时完成。

进程调用系统函数aio_read（POSIX规范下异步I/O函数以aio_或lio_开头）之后，无论内核数据是否准备好，都会立即，然后进程可以去做别的事情。内核会自动处理I/O数据，并将内核直接复制数据给进程，然后向进程发送信号，进程收到信号后直接处理数据即可。

异步I/O模型是最理想的模型，但是自诞生之日起的具体实现方式(glibc aio、libaio、libeio…)就有这样或那样的缺点，2019 年 Linux 5.1 内核首次引入的高性能 异步 I/O 框架io_uring ，能显著加速 I/O 密集型应用的性能，并且使用简单，适应度广，足够稳定，但诞生的太晚了，远没有epoll应用的范围广。

异步I/O模型实战。

六、小结

通过对五种I/O模型的描述，可以发现前四种模型的区别主要在于第一阶段的处理方式（阻塞I/O和多路复用是阻塞的，非阻塞I/O【轮询】和信号驱动【通知】是非阻塞的），第二阶段形同：将数据从内核区复制到用户区，都进程都会阻塞于recvfrom函数。但异步I/O的两个阶段内核都帮我们做了，这与前四种模型是截然不同的。

五种I/O模型比较如下：

最后聊一下阻塞、非阻塞、同步、异步在Unix网络编程语境下的概念：
阻塞：指调用结果返回之前，当前进程会被挂起，只有得到结果之后才会返回。

非阻塞：指如果不能立刻得到结果，当前进程不会被挂起。Unix下是通过立即返回规定错误码来实现的。

同步：I/O操作会阻塞当前进程，直至操作完成。由此可知前四种模型都是同步的（非阻塞I/O如果有数据时依旧需等待数据从内核区复制到用户区，或阻塞当前进程）。

异步：I/O操作不会阻塞当前进程。

我们可以举这样一个场景，小明要喝开水，客厅有其他事情，而烧水壶在卧室。

小明打开热水壶，站在热水壶面前一直等待水开 => 阻塞
小明打开热水壶后回到客厅做其他事情，一会去卧室检查一下水是否烧开，烧开再使用 => 非阻塞
小明觉得一会去卧室检查一下太费劲了，于是换了一个水开报警的热水壶：
现在小明打开热水壶后回到客厅做其他事情，等到热水壶报警再去卧室用水 => 异步

ps:我们举的场景只有一个阶段，而Unix五种I/O模型是有两个阶段的【第一阶段获取I/O就绪事件，第二阶段将I/O数据从内核区复制到用户区】，只有异步I/O模型两个阶段都是异步的