进行后台开发时，经常需要进行数据传输，其数据传输归根结底还是Linux 的I/O 操作，今天就来讲下 Linux 的I/O 模型。

1、介绍

Linux 的内核将所有外部设备都看做一个文件来操作（一切皆文件），对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，返回一个file descriptor（fd，文件描述符）。而对一个socket的读写也会有相应的描述符，称为socket fd（socket文件描述符），描述符就是一个数字，指向内核中的一个结构体（文件路径，数据区等一些属性）。

服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，Linux的IO模型有五种：

• 同步阻塞IO（BlockingIO）：即传统的IO模型。
• 同步非阻塞IO（Non-blockingIO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并非Java的NIO（NewIO）库。
• IO多路复用（IOMultiplexing）：即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Linux中的epoll就是这种模型。
• 信号驱动式I/O（signal-driven I/O）：即基于信号驱动的IO（SignalDrivenIO）模型。
• 异步IO（AsynchronousIO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。
阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

接下来，我们详细分析五种常见的IO模型的实现原理。为了方便描述，我们统一使用IO的读操作作为示例。

1、阻塞I/O模型

阻塞I/O是最流行的I/O模型。它符合人们最常见的思考逻辑。阻塞就是进程 “被” 休息, CPU处理其它进程去了。在网络I/O的时候，进程发起recvform系统调用，然后进程就被阻塞了，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络I/O。

图示：

阻塞IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

2、非阻塞I/O模型

在网络I/O时候，非阻塞I/O也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞I/O不一样，”非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 ‘被’ CPU光顾”。

也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

图示：

非阻塞 IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据是否准备好

3、I/O复用模型

可以看出，由于非阻塞的调用，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间。结合前面两种模式。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。多路复用正好处理这样的问题。

多路复用有两个特别的系统调用select或poll。select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于—前者可以等待多个socket，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。多路复用有两种阻塞，select或poll调用之后，会阻塞进程，与第一种阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。

图示：

多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。对于监视的方式，又可以分为 select， poll， epoll三种方式。

I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。

与传统的多线程模型相比，I/O多路复用的最大优势就是系统开销小，系统不需要创建新的额外线程，也不需要维护这些线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

主要的应用场景：

• ​ 服务器需要同时处理多个处于监听状态或多个连接状态的套接字。
• ​ 服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。

支持I/O多路复用的系统调用主要有select、pselect、poll、epoll。

而当前推荐使用的是epoll，优势如下：

• ​ 支持一个进程打开的socket fd不受限制。
• ​ I/O效率不会随着fd数目的增加而线性下将。
• ​ 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递。
• ​ epoll拥有更加简单的API。

4、信号驱动I/O模型

在这种模型下，我们首先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。改系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说他没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。我们随后就可以在信号处理函数中调用read读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。

图示：

无论如何处理SIGIO信号，这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。主循环可以继续执行，只要等到来自信号处理函数的通知：既可以是数据已准备好被处理，也可以是数据报已准备好被读取。

5、异步I/O

相对于同步I/O，异步I/O不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。I/O两个阶段，进程都是非阻塞的。

图示：