## [IO模式](id:)
> **對于一次 IO 訪問（以 read 舉例），數(shù)據(jù)會先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。**所以說，當(dāng)一個 read 操作發(fā)生時，它會經(jīng)歷**兩個階段**：
> **1. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備** (Waiting for the data to be ready)【以上所講】
> **2. 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到進(jìn)程中** (Copying the data from the kernel to the process)
> **linux系統(tǒng)共產(chǎn)生了下面五種網(wǎng)絡(luò)（IO）模式的方案**
> - 阻塞 I/O（blocking IO）
> - 非阻塞 I/O（nonblocking IO）
> - I/O 多路復(fù)用（ IO multiplexing）
> - 信號驅(qū)動 I/O（ signal driven IO）【不常用】
> - 異步 I/O（asynchronous IO）
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## [阻塞 I/O（blocking IO）](id:)
> 在 Linux 中，默認(rèn)情況下所有的 socket（連接管道）都是 blocking（阻塞），一個典型的讀操作流程大概是這樣：
阻塞 I/O 模型
> 當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了 recvfrom 這個系統(tǒng)調(diào)用，kernel 就開始了 IO 的每一個階段：
> * 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（對于網(wǎng)絡(luò) IO 來說，很多時候數(shù)據(jù)在一開始還沒有到達(dá)。比如，還沒有收到一個完整的 UDP 包。這個時候 kernel 就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來）
這個過程需要等待，也就是說數(shù)據(jù)被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中是需要一個過程的。而在用戶進(jìn)程這邊，整個進(jìn)程會被阻塞（當(dāng)然，是進(jìn)程自己選擇的阻塞）
> * 當(dāng) kernel 一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會將數(shù)據(jù)從 kernel 中拷貝到用戶內(nèi)存，然后 kernel 返回結(jié)果，用戶進(jìn)程才解除 block 的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來。
> 所以，**blocking IO 的特點(diǎn)**就是在 IO 執(zhí)行的**兩個階段都被 block** 了。
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## [非阻塞 I/O（nonblocking IO）](id:)
> Linux 下，可以通過設(shè)置 socket 使其變?yōu)?non-blocking。當(dāng)對一個 non-blocking? socket 執(zhí)行讀操作時，流程如下：
非阻塞 I/O 模型
> 當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出 read 操作時，如果 kernel 中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，那么它并不會 block 用戶進(jìn)程，而是立刻返回一個 error。
從用戶進(jìn)程角度講，它發(fā)起一個 read 操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個 error 時，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送 read 操作。
一旦 kernel 中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的 system call（系統(tǒng)調(diào)用），那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存，然后返回。
> 所以，**nonblocking IO 的特點(diǎn)**是用戶進(jìn)程需要**不斷的主動詢問 kernel 數(shù)據(jù)好了沒有**。
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## [I/O 多路復(fù)用（ IO multiplexing）](id:)
> IO multiplexing 就是我們說的 select，poll，epoll，有些地方也稱這種 IO 方式為 event driven IO（**事件驅(qū)動 IO**）。select/epoll 的好處就在于單個 process 就可以同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接的 IO。它的基本原理就是 select，poll，epoll 這個 function 會不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有 socket，當(dāng)某個 socket 有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程。
I/O 多路復(fù)用模型
> * **當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了 select，那么整個進(jìn)程會被 block**，而同時，kernel 會“監(jiān)視”所有 select 負(fù)責(zé)的 socket，當(dāng)任何一個 socket 中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select 就會返回。這個時候用戶進(jìn)程再調(diào)用 read 操作，將數(shù)據(jù)從 kernel 拷貝到用戶進(jìn)程。
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> * 所以，I/O 多路復(fù)用的特點(diǎn)是通過一種機(jī)制一個進(jìn)程能同時等待多個文件描述符，而這些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一個進(jìn)入讀就緒狀態(tài)，select() 函數(shù)就可以返回。
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> * 這個圖和 blocking IO 的圖其實(shí)并沒有太大的不同，事實(shí)上，還更差一些。因?yàn)檫@里需要使用兩個 system call （select 和 recvfrom），而 blocking IO 只調(diào)用了一個 system call （recvfrom）。但是，用 select 的優(yōu)勢在于它可以同時處理多個 connection。
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> * 所以，如果處理的連接數(shù)不是很高的話，使用 select/epoll 的 web server 不一定比使用 multi-threading + blocking IO 的 web server 性能更好，可能延遲還更大。**select/epoll 的優(yōu)勢并不是對于單個連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。**
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> * 在 IO multiplexing Model 中，實(shí)際中，對于每一個 socket，一般都設(shè)置成為 non-blocking，但是，如上圖所示，整個用戶的 process 其實(shí)是一直被 block 的。只不過 process 是被 select 這個函數(shù) block，而不是被 socket IO 給 block。
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## [異步 I/O（asynchronous IO）](id:)
> Linux下的 asynchronous IO 實(shí)際應(yīng)用中很少，流程如下：
異步 I/O 模型
> 用戶進(jìn)程發(fā)起 read 操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從 kernel 的角度，當(dāng)它受到一個 asynchronous read 之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何 block。然后，kernel 會等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)這一切都完成之后，kernel 會給用戶進(jìn)程發(fā)送一個 signal，告訴它 read 操作已完成。
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## [總結(jié)](id:)
> blocking 和 non-blocking 的區(qū)別：
調(diào)用 blocking IO 會一直 block 住對應(yīng)的進(jìn)程直到操作完成，而 non-blocking IO 在 kernel 還準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況下會立刻返回。
> synchronous IO 和 asynchronous IO 的區(qū)別：
在說明 synchronous IO 和 asynchronous IO 的區(qū)別之前，需要先給出兩者的定義。POSIX`[POSIX 是 IEEE(電子和電器工程師協(xié)會) 為各種UNIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件定義的一系列 API 接口標(biāo)準(zhǔn)]` 的定義是這樣子的：
> - A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
> - An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
**兩者的區(qū)別就在于 synchronous IO 做“IO operation”的時候會將 process 阻塞。按照這個定義，之前所述的 blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing 都屬于 synchronous IO。**
> 有人會說，non-blocking IO 并沒有被 block 啊。這里有個非?！敖苹钡牡胤?，定義中所指的“IO operation”是指真實(shí)的 IO 操作，就是例子中的 recvfrom 這個 system call。non-blocking IO 在執(zhí)行 recvfrom 這個 system call 的時候，如果 kernel 的數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，這時候不會 block 進(jìn)程。但是，當(dāng) kernel 中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時候，recvfrom 會將數(shù)據(jù)從 kernel 拷貝到用戶內(nèi)存中，這個時候進(jìn)程是被 block 了，在這段時間內(nèi)，進(jìn)程是被 block 的。
> 而 asynchronous IO 則不一樣，當(dāng)進(jìn)程發(fā)起 IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到 kernel 發(fā)送一個信號，告訴進(jìn)程說 IO 完成。在這整個過程中，進(jìn)程完全沒有被 block。
## 各個 IO Model 的比較如圖所示：
五種 I/O 模型比較
> 通過上面的圖片，可以發(fā)現(xiàn) non-blocking IO 和 asynchronous IO 的區(qū)別還是很明顯的。在 non-blocking IO 中，雖然進(jìn)程大部分時間都不會被 block，但是它仍然要求進(jìn)程去主動的 check，并且當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，也需要進(jìn)程主動的再次調(diào)用 recvfrom 來將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存。而 asynchronous IO 則完全不同。它就像是用戶進(jìn)程將整個 IO 操作交給了他人（kernel）完成，然后他人做完后發(fā)信號通知。在此期間，用戶進(jìn)程不需要去檢查 IO 操作的狀態(tài)，也不需要主動的去拷貝數(shù)據(jù)。
