1. 布景

最近在折腾网络编程，发现 IO 模型这块比较模糊，翻了不少材料，这儿总结分享下。 关键字：网络编程；IO模型

2. 前置常识一：内核态，用户态

想要弄懂 IO 模型，有一批前置常识需求掌握，首先是内核态和用户态的概念。 操作体系为了保护自己，设计了用户态、内核态两个状态。应用程序一般工作在用户态，当调用一些底层操作的时候（比如 IO 操作），就需求切换到内核态才可以进行。用户态和内核态的切换需求消耗一些资源，零仿制技术便是经过减少用户态和内核态的转换来提高功能的。

3. 前置常识二：应用程序从网络中接纳数据的大致流程

服务器从网络接纳的大致流程如下：

  1. 数据经过计算机网络来到了网卡
  2. 把网卡的数据读取到 socket 缓冲区
  3. 把 socket 缓冲区读取到用户缓冲区，之后应用程序就可以运用了

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中心便是两次读取操作，五大 IO 模型的不同之处也就在于这两个读取操作怎样交互。

4. 前置常识三：了解同步/异步、堵塞/非堵塞

同步/异步：这个是应用层面的概念，指的是调用一个函数，我们是等这个函数履行完再继续履行下一步，仍是调完函数就继续履行下一步，另起一个线程去履行所调用的函数。重视的是线程间的协作。 堵塞/非堵塞，这个是硬件层面的概念，堵塞是指 cpu “被”歇息，处理其他进程去了，比如IO操作，而非堵塞则是 cpu 仍然会履行，不会切换到其他进程。重视的是CPU会不会“被”歇息，表现在应用层面就是线程会不会“被”挂起。 至于同步和堵塞有什么区别，异步和非堵塞有什么区别，其实这是不同层面的东西，欠好相互比较的。在学习IO模型的过程中，千万别钻这个牛角尖。

5. 前置常识四：了解同步堵塞、同步非堵塞、异步堵塞、异步非堵塞

有许多 IO 模型的博客，会把同步/异步、堵塞/非堵塞两两组合，把IO模型分成四类。

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初看其实很疑惑的，都异步了，还咋堵塞啊？

其实大可不必纠结这个，同步/异步、堵塞/非堵塞自身便是不同层面的东西，强行组合起来便是欠好了解，甚至是错误的。

主张是抛开这个，直接去了解五大 IO 模型，千万别钻牛角尖。其实，真要分，也只能拆成两个维度分，而不是四个维度。 首先是按堵塞/非堵塞分：

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然后是按同步/异步分：

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6. 五大 IO 模型之：堵塞 IO

好了，假如掌握了前面提到的的这些前置常识，了解IO模型就稍微轻松点了，现在开端。

之前提了，应用程序从网络中接纳数据的大致流程便是两步：

  1. 数据预备：等候网络数据，把网卡的数据读取到 socket 缓冲区
  2. 数据仿制：把 socket 缓冲区的数据读取到用户态 Buffer，供应用程序运用

IO模型的不同之处也就在于这两个操作怎样交互，我们先看看堵塞IO模型

当应用程序建议 read 调用时，调用线程会堵塞住直到第一步读取操作的完结。 等第一步读取操作完结后，会将数据读取到用户态 Buffer 中，这个过程中调用线程仍然是堵塞的，直到数据仿制完结，整个流程用图来表明就张这样：

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这种 IO 模型的优点便是好了解，API 简单好上手，适用于衔接数不多的网络应用。

7. 五大 IO 模型之：非堵塞 IO

当应用程序建议 read 调用时，假如没有数据可读，调用线程不会堵塞。但应用程序为了读到数据，就会一向循环调用，直到有数据可读。

等第一步读取操作完结后，第二步就和堵塞IO相同了。会将数据读取到用户态 Buffer 中，这个过程中调用线程仍然是堵塞的，直到数据仿制完结，整个流程用图来表明就张这样：

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这种 IO 模型的并没有特别优点，并且会一向循环调用底层的接口，功能堪忧，很少运用。

8. 五大 IO 模型之：信号驱动 IO

当应用程序建议 read 调用，注册一个handler，等候有数据后的回调。应用程序一旦被回调，就阐明数据已经可以读取了，就会进行第二步操作，把数据读取到用户态 Buffer 中。同样，第二步仍然是堵塞的。

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这种 IO 模型的优点便是相比于非堵塞IO，运用告诉&回调机制减少了循环的开支，可是对于衔接数多的场景，可能会由于信号行列溢出导致无法告诉，用的不多。

9. 五大 IO 模型之：多路复用 IO

当应用程序建议 read 调用时，假如没有数据可读，调用线程不会堵塞，体系会把 socket 注册到一个“多路复用器”上，等到有数据了会把可读的socket加入行列，供应用层运用。

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大概的代码如下：

while (true) {
    if (selector.select(READ_KEY) > 0) { // selector 便是多路复用器，READ_KEY 大于 1 阐明有可读的socket
        Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
        while (keyIterator.hasNext()) { 
            SelectionKey key = keyIterator.next();
            if (key.isReadable()) {
                // 读取数据
            }
        }
    }
}

这种 IO 模型的优点是可以应对很多的衔接，特别适用于很多的短衔接。现在大多数网络应用，底层选用的都是多路复用IO。

10. 五大 IO 模型之：异步 IO

异步IO 则和上面四种IO模型都不通，他是完完全全的异步，两步操作都不会堵塞。 应用程序建议 read 调用后，等收到回调告诉，就可以去运用用户态 Buffer 的数据了，如下图所示。

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11. 打个比如

打个个人认为很贴切的比如，帮助了解。

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我们都去医院取过药吧，五种IO模型就像是不同的取药方法。

  • 堵塞IO： 排队等药，排到我了可是药还没预备好，那我也继续等着，他人也不能取。这种我没好，他人也落不着好的方法，便是堵塞IO的体现。
  • 非堵塞IO： 排队等药，排到我了可是药还没预备好，那我从头排吧。从头排队便是轮询，由于从头排了也没有堵塞他人撤销，便是非堵塞IO的体现。
  • 信号驱动IO： 不必排队等药，药预备好了就直接短信告诉你去取。短信告诉就相当于信号驱动了，由于不必排队，节省了不少时刻。
  • 多路复用IO： 这个便是日常中常见的那种取药方法了，付了钱后要去药房的机器上扫码，然后盯着显示器，上面显示了你的姓名，再去取药。在机器上扫码就相当于注册，显示了你的姓名就相当于有需求处理的IO事情了。实际中显示了我的姓名，我仍是要去排队，这也是对应上的，由于一个 selector 返回的是多个需求处理的IO时刻，一个个处理就相当于一个个排队取药。
  • 异步IO： 这个就很赛博朋克了，异步IO就像是不必排队，不必取药，药好了直接寄你家，完全异步。

12. 可能会发生的疑问：

12.1 Java 的 nio 是对多路复用IO模型的完成，为什么叫非堵塞？

首先 Java 的 nio 包可以用来完成多路复用IO模型，也可以用来完成非堵塞IO模型，只不过非堵塞IO模型功能差没人用罢了。 其次，nio 中的那个“n”是 new 的意思。当时 JDK 的开发者为了和老的io包做区分，才用nio 来表明的，并不是 nonblocking 的“n”，所以叫“新IO包”更准确，也不容易弄混。

12.2 select、poll、epoll有什么关系

select、poll、epoll 都是用来完成多路复用的，原理也都是经过遍历找到可读写的socket，区别在于

  • select 有约束，最多1024个，poll、epoll没有这个约束。
  • poll 对数据结构有优化，没有 1024 个的约束，但仍是要遍历所有socket，目前很少用。
  • epoll 对遍历有优化，不会遍历所有socket，只会遍历那些可读的socket，所以效率有所提升。

12.3 信号驱动 IO 和多路复用 IO 很难分辩

信号驱动 IO 的底层机制是事情告诉，多路复用 IO 的底层机制是遍历+回调，只不过在应用层面包装成了事情罢了。

13. 总结

从网卡中读取数据有两步：第一步是网卡到 socket 缓存区，第二步是从 socket 缓冲区到内核态。

IO 模型有五种：堵塞IO、非堵塞IO、信号驱动IO、多路复用IO、异步IO。

  • 堵塞IO：两步都堵塞
  • 非堵塞IO：第一步不堵塞，但应用层不知道什么时候数据可读，所以需求不断轮询
  • 信号驱动IO：第一步不堵塞，但应用层不感知这一步的堵塞，机制是事情告诉机制，数据预备好后直接告诉应用层读取
  • 多路不必IO：第一步不堵塞，但应用层不感知这一步的堵塞，机制是遍历所有 Socket，有预备好的再告诉应用层读取
  • 异步IO：纯异步，数据预备好后，应用层直接运用。

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14. Ref

  • notes.shichao.io/unp/ch6/
  • 完全搞懂 select/poll/epoll，就这篇了！blog.csdn.net/Linuxhus/ar…
  • 图解四种 IO 模型 /post/704953…
  • 深入了解Java I/O模型 /post/684490…
  • 关于同步、异步与堵塞、非堵塞的了解 www.cnblogs.com/Anker/p/596…
  • Node的灵魂——非堵塞异步IO blog.csdn.net/chanmufeng/…
  • Java NIO–(1)高并发IO的底层原理及4种主要IO模型 /post/687371…
  • 计算机I/O与I/O模型 /post/684490…