淺聊Linux的五種IO模型-有解無憂

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在日常 Coding 中，多多少少都會接觸到網路 IO，就會想要深入了解一下，看了很多文章，總是云里霧里的感覺，直到讀了《UNIX網路編程卷1：套接字聯網API》中的介紹后，才豁然開朗，這里就給大家分享一下，如有不對，歡迎指出，

1. 概念說明

為了便于理解后面的內容，我們先來了解一些概念，

1.1 Socket

Socket 中文翻譯為套接字，是計算機網路中行程間進行雙向通信的端點的抽象，一個 Socket 代表了網路通信的一端，是由作業系統提供的行程間通信機制，

在作業系統中，通常會為應用程式提供一組應用程式介面，稱為 Socket 介面（Socket API），應用程式可以通過 Socket 介面，來使用網路 Socket，以進行資料的傳輸，
一個 Socket 由IP地址和埠組成，即：Socket 地址 = IP地址 : 埠號，
在同一臺計算機上，TCP 協議與 UDP 協議可以同時使用相同的埠（Port），而互不干擾，
要想實作網路通信，至少需要一對 Socket，其中一個運行在客戶端，稱之為 Client Socket；另一個運行在服務器端，稱之為 Server Socket，
Socket 之間的連接程序可以分為三個步驟：（1）服務器監聽；（2）客戶端連接；（3）連接確認，

1.2 Socket 緩沖區

每個 Socket 被創建后，都會在內核中分配兩個緩沖區：輸入緩沖區和輸出緩沖區，

通過 Socket 發送資料并不會立即向網路中傳輸資料，而是先將資料寫入到輸出緩沖區中，再由 TCP 協議將資料從輸出緩沖區發送到目標主機，
通過 Socket 接收資料也是如此，也是從輸入緩沖區中讀取資料，而不是直接從網路中讀取，

1.3 用戶空間、內核空間、系統呼叫

作業系統的行程空間可以分為用戶空間（User Space）和內核空間（Kernel Space），它們需要不同的執行權限，

大多數系統互動式操作需要在內核空間中運行，比如設備 IO 操作，
我們的應用程式運行在用戶空間，是不具備系統級的直接操作權限的，如果應用程式想要訪問系統核心功能，必須通過系統呼叫（System Call）來完成，比如呼叫recv()函式，會將輸入緩沖區中的內容拷貝到用戶緩沖區，
系統呼叫運行在內核空間，是作業系統為應用程式提供的介面，

下面列舉了一些 Linux 作業系統中的系統呼叫介面（部分函式后面章節會用到）：

socketcall socket系統呼叫
socket 建立socket
bind 系結socket到埠
connect 連接遠程主機
accept 回應socket連接請求
send 通過socket發送資訊
sendto 發送UDP資訊
recv 通過socket接收資訊
recvfrom 接收UDP資訊
listen 監聽socket埠
select 對多路同步IO進行輪詢
shutdown 關閉socket上的連接
sigaction 設定對指定信號的處理方法

1.4 阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞，用于描述呼叫者在等待回傳結果時的狀態，

阻塞：呼叫者發起請求后，會一直等待回傳結果，這期間當前執行緒會被掛起（阻塞），
非阻塞：呼叫者發起請求后，會立刻回傳，當前執行緒也不會阻塞，該呼叫不會立刻得到結果，呼叫者需要定時輪詢查看處理狀態，

1.5 同步與異步

而同步與異步，用于描述呼叫結果的回傳機制（或者叫通信機制），

同步：呼叫者發起請求后，會一直等待回傳結果，即由呼叫者主動等待這個呼叫結果，
異步：呼叫者發起請求后，會立刻回傳，但不會立刻得到這個結果，而是由被調者在執行結束后主動通知（如 Callback）呼叫者，

2. 五種 IO 模型

IO 模型是指：用什么樣的通道或者說是通信模式進行資料的傳輸，這很大程式上決定了程式通信的性能，

Linux 系統為我們提供五種可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路復用模型、信號驅動 IO 模型和異步 IO 模型，

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO （Blocking IO）：應用行程從發起 IO 系統呼叫，至內核回傳成功標識，這整個期間是處于阻塞狀態的，

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式IO（Non-Blocking IO）：應用行程可以將 Socket 設定為非阻塞，這樣應用行程在發起 IO 系統呼叫后，會立刻回傳，應用行程可以輪詢的發起 IO 系統呼叫，直到內核回傳成功標識，

2.3 IO 多路復用模型

IO 多路復用（IO Multiplexin）：可以將多個應用行程的 Socket 注冊到一個 Select（多路復用器）上，然后使用一個行程來監聽該 Select（該操作會阻塞），Select 會監聽所有注冊進來的 Socket，只要有一個 Socket 的資料準備好，就會回傳該Socket，再由應用行程發起 IO 系統呼叫，來完成資料讀取，

2.4 信號驅動 IO 模型

信號驅動 IO（Signal Driven IO）：可以為 Socket 開啟信號驅動 IO 功能，應用行程需向內核注冊一個信號處理程式，該操作并立即回傳，當內核中有資料準備好，會發送一個信號給應用行程，應用行程便可以在信號處理程式中發起 IO 系統呼叫，來完成資料讀取了，

2.5 異步 IO 模型

異步 IO（Asynchronous IO）：應用行程發起 IO 系統呼叫后，會立即回傳，當內核中資料完全準備后，并且也復制到了用戶空間，會產生一個信號來通知應用行程，

3. 總結

從上述五種 IO 模型可以看出，應用行程對內核發起 IO 系統呼叫后，內核會經過兩個階段來完成資料的傳輸：

第一階段：等待資料，即應用行程發起 IO 系統呼叫后，會一直等待資料；當有資料傳入服務器，會將資料放入內核空間，此時資料準備好，
第二階段：將資料從內核空間復制到用戶空間，并回傳給應用程式成功標識，

前四種模型的第二階段是相同的，都是處于阻塞狀態，其主要區別在第一階段，而異步 IO 模型則不同，應用行程在這兩個階段是完全不阻塞的，

IO 模型	第一階段	第二階段
阻塞式IO	阻塞	阻塞
非阻塞式IO	非阻塞	阻塞
IO多路程復用	阻塞（Select）	阻塞
信號驅動式IO	異步	阻塞
異步IO	異步	異步

參考資料

UNIX網路編程卷1：套接字聯網API

淺聊Linux的五種IO模型