看一遍就理解：IO 模型詳解

前言

大家好，我是程序員田螺。今天我們一起來學習 IO 模型。在本文開始前呢，先問問大家幾個問題哈~

什麼是 IO 呢？什麼是阻塞非阻塞 IO？什麼是同步異步 IO？什麼是 IO 多路複用？select/epoll 跟 IO 模型有什麼關係？有幾種經典 IO 模型呢？BIO、NIO、AIO 到底有什麼區別的？

如果這些問題，你都能很好答上的話，那恭喜你，你對 IO 的掌握已經很棒啦！那你跟田螺哥一起看完這篇文章，再複習一下，加深印象吧~ 如果你對這些問題模棱兩可的話，那也沒關係，看完這篇文章，就理解啦！

什麼是 IO 呢？

IO，英文全稱是 Input/Output，翻譯過來就是輸入 / 輸出。平時我們聽得挺多，就是什麼磁盤 IO，網絡 IO。那 IO 到底是什麼呢？是不是有種懵懵懂懂的感覺呀，好像大概知道它是什麼，又好像說不清楚。

IO，即輸入 / 輸出，到底誰是輸入？誰是輸出呢？IO 如果脫離了主體，就會讓人疑惑。

計算機角度的 IO

我們常說的輸入輸出，比較直觀的意思就是計算機的輸入輸出，計算機就是主體。大家是否還記得，大學學計算機組成原理的時候，有個馮. 諾依曼結構，它將計算機分成分爲 5 個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。

輸入設備是向計算機輸入數據和信息的設備，鍵盤，鼠標都屬於輸入設備；輸出設備是計算機硬件系統的終端設備，用於接收計算機數據的輸出顯示，一般顯示器、打印機屬於輸出設備。

例如你在鼠標鍵盤敲幾下，它就會把你的指令數據，傳給主機，主機通過運算後，把返回的數據信息，輸出到顯示器。

鼠標、顯示器這只是直觀表面的輸入輸出，回到計算機架構來說，涉及計算機核心與其他設備間數據遷移的過程，就是 IO。如磁盤 IO，就是從磁盤讀取數據到內存，這算一次輸入，對應的，將內存中的數據寫入磁盤，就算輸出。這就是 IO 的本質。

操作系統的 IO

我們要將內存中的數據寫入到磁盤的話，主體會是什麼呢？主體可能是一個應用程序，比如一個 Java 進程（假設網絡傳來二進制流，一個 Java 進程可以把它寫入到磁盤）。

操作系統負責計算機的資源管理和進程的調度。我們電腦上跑着的應用程序，其實是需要經過操作系統，才能做一些特殊操作，如磁盤文件讀寫、內存的讀寫等等。因爲這些都是比較危險的操作，不可以由應用程序亂來，只能交給底層操作系統來。也就是說，你的應用程序要把數據寫入磁盤，只能通過調用操作系統開放出來的 API 來操作。

  • 什麼是用戶空間？什麼是內核空間?

  • 以 32 位操作系統爲例，它爲每一個進程都分配了 4G(2 的 32 次方) 的內存空間。這 4G 可訪問的內存空間分爲二部分，一部分是用戶空間，一部分是內核空間。內核空間是操作系統內核訪問的區域，是受保護的內存空間，而用戶空間是用戶應用程序訪問的內存區域。

我們應用程序是跑在用戶空間的，它不存在實質的 IO 過程，真正的 IO 是在操作系統執行的。即應用程序的 IO 操作分爲兩種動作：IO 調用和 IO 執行。IO 調用是由進程（應用程序的運行態）發起，而 IO 執行是操作系統內核的工作。此時所說的 IO 是應用程序對操作系統 IO 功能的一次觸發，即 IO 調用。

操作系統的一次 IO 過程

應用程序發起的一次 IO 操作包含兩個階段：

操作系統內核完成 IO 操作還包括兩個過程：

其實 IO 就是把進程的內部數據轉移到外部設備，或者把外部設備的數據遷移到進程內部。外部設備一般指硬盤、socket 通訊的網卡。一個完整的 IO 過程包括以下幾個步驟：

阻塞 IO 模型

我們已經知道 IO 是什麼啦，那什麼是阻塞 IO 呢？

假設應用程序的進程發起 IO 調用，但是如果內核的數據還沒準備好的話，那應用程序進程就一直在阻塞等待，一直等到內核數據準備好了，從內核拷貝到用戶空間，才返回成功提示，此次 IO 操作，稱之爲阻塞 IO。

非阻塞 IO 模型

如果內核數據還沒準備好，可以先返回錯誤信息給用戶進程，讓它不需要等待，而是通過輪詢的方式再來請求。這就是非阻塞 IO，流程圖如下：

非阻塞 IO 的流程如下：

非阻塞 IO 模型，簡稱 NIO，Non-Blocking IO。它相對於阻塞 IO，雖然大幅提升了性能，但是它依然存在性能問題，即頻繁的輪詢，導致頻繁的系統調用，同樣會消耗大量的 CPU 資源。可以考慮 IO 複用模型，去解決這個問題。

IO 多路複用模型

既然 NIO 無效的輪詢會導致 CPU 資源消耗，我們等到內核數據準備好了，主動通知應用進程再去進行系統調用，那不就好了嘛？

在這之前，我們先來複習下，什麼是文件描述符 fd(File Descriptor), 它是計算機科學中的一個術語，形式上是一個非負整數。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。

IO 複用模型核心思路：系統給我們提供一類函數（如我們耳濡目染的 select、poll、epoll 函數），它們可以同時監控多個fd的操作，任何一個返回內核數據就緒，應用進程再發起recvfrom系統調用。

IO 多路複用之 select

應用進程通過調用 select 函數，可以同時監控多個fd，在select函數監控的fd中，只要有任何一個數據狀態準備就緒了，select函數就會返回可讀狀態，這時應用進程再發起recvfrom請求去讀取數據。

非阻塞 IO 模型（NIO）中，需要N（N>=1）次輪詢系統調用，然而藉助select的 IO 多路複用模型，只需要發起一次詢問就夠了, 大大優化了性能。

但是呢，select有幾個缺點：

因爲存在連接數限制，所以後來又提出了 poll。與 select 相比，poll 解決了連接數限制問題。但是呢，select 和 poll 一樣，還是需要通過遍歷文件描述符來獲取已經就緒的socket。如果同時連接的大量客戶端，在一時刻可能只有極少處於就緒狀態，伴隨着監視的描述符數量的增長，效率也會線性下降。

因此經典的多路複用模型epoll誕生。

IO 多路複用之 epoll

爲了解決select/poll存在的問題，多路複用模型epoll誕生，它採用事件驅動來實現，流程圖如下：

epoll 先通過epoll_ctl()來註冊一個fd（文件描述符），一旦基於某個fd就緒時，內核會採用回調機制，迅速激活這個fd，當進程調用epoll_wait()時便得到通知。這裏去掉了遍歷文件描述符的坑爹操作，而是採用監聽事件回調的機制。這就是 epoll 的亮點。

我們一起來總結一下 select、poll、epoll 的區別

IjHqQl

epoll 明顯優化了 IO 的執行效率，但在進程調用epoll_wait()時，仍然可能被阻塞。能不能醬紫：不用我老是去問你數據是否準備就緒，等我發出請求後，你數據準備好了通知我就行了，這就誕生了信號驅動 IO 模型。

IO 模型之信號驅動模型

信號驅動 IO 不再用主動詢問的方式去確認數據是否就緒，而是向內核發送一個信號（調用sigaction的時候建立一個SIGIO的信號），然後應用用戶進程可以去做別的事，不用阻塞。當內核數據準備好後，再通過SIGIO信號通知應用進程，數據準備好後的可讀狀態。應用用戶進程收到信號之後，立即調用recvfrom，去讀取數據。

信號驅動 IO 模型，在應用進程發出信號後，是立即返回的，不會阻塞進程。它已經有異步操作的感覺了。但是你細看上面的流程圖，發現數據複製到應用緩衝的時候，應用進程還是阻塞的。回過頭來看下，不管是 BIO，還是 NIO，還是信號驅動，在數據從內核複製到應用緩衝的時候，都是阻塞的。還有沒有優化方案呢？AIO（真正的異步 IO）！

IO 模型之異步 IO(AIO)

前面講的BIO，NIO和信號驅動，在數據從內核複製到應用緩衝的時候，都是阻塞的，因此都不算是真正的異步。AIO實現了 IO 全流程的非阻塞，就是應用進程發出系統調用後，是立即返回的，但是立即返回的不是處理結果，而是表示提交成功類似的意思。等內核數據準備好，將數據拷貝到用戶進程緩衝區，發送信號通知用戶進程 IO 操作執行完畢。

流程如下：

異步 IO 的優化思路很簡單，只需要向內核發送一次請求，就可以完成數據狀態詢問和數據拷貝的所有操作，並且不用阻塞等待結果。日常開發中，有類似思想的業務場景：

比如發起一筆批量轉賬，但是批量轉賬處理比較耗時，這時候後端可以先告知前端轉賬提交成功，等到結果處理完，再通知前端結果即可。

阻塞、非阻塞、同步、異步 IO 劃分

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一個通俗例子讀懂 BIO、NIO、AIO

一個經典生活的例子：

參考與感謝

參考資料

[1] 程序員應該這樣理解 IO: https://www.jianshu.com/p/fa7bdc4f3de7

[2] Linux IO 模式及 select、poll、epoll 詳解: https://segmentfault.com/a/1190000003063859

[3] IO 模型知多少 | 理論篇: https://cloud.tencent.com/developer/article/1648650

[4] 100% 弄明白 5 種 IO 模型: https://zhuanlan.zhihu.com/p/115912936

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/bb7C6VNbq7REP9u8PsreSg

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