通訊模型socket

I/O的概念

操做系統的分爲socket的I/O還有用戶界面的輸入輸出，通常一個輸入操做分爲兩個不一樣的階段，1）等待數據準備好；2）從內核向進程複製數據

從理論上來說，阻塞I/O、非阻塞I/O、複用I/O、信號驅動I/O都是同步IO模型，異步I/O就是異步IO，同步I/O嚮應用程序通知的是I/O就緒事件，異步I/O嚮應用程序通知的是I/O完成事件。

同步和異步：都是針對應用程序和操做系統之間交互而言的。同步的話，若是上層應用不主動詢問操做系統的話，操做系統是不會主動通知應用程序的。異步的話，操做系統會主動通知應用程序。

阻塞：若是條件不知足的話，操做系統將應用程序掛起或者休眠，此時應用程序處於阻塞狀態，只有當數據準備好以後或者數據已經從內核空間拷貝到用戶空間，操做系統通知線程，此時喚醒線程。

非阻塞：若是條件不知足的話，該方法不會阻塞當前線程，而是當即返回一個標誌信息（數據尚未準備好），或者timeou以後返回，此時應用線程還能夠進行其餘的操做。

在linux中並不存在真正的異步I/O，而是經過多路複用I/O的方式去模擬異步IO

注意：同步並不等同於阻塞，同步調用的時候，即使調用不返回，可是應用線程還處於運行狀態，能夠進行其餘的操做，而阻塞調用時，應用線程處於阻塞狀態。

操做系統5種通訊模型

1. 阻塞I/O

解釋：應用程序會調用一個IO函數，致使應用程序阻塞，程序會一直停留在此處，若是數據準備好了，內核會將數據拷貝至應用程序

僞代碼：

{     read(socket, buffer);     process(buffer); }

特色：當處理socket數量較少的時候，使用阻塞式I/O比較合適，當socket數量較大，爲每個socket都分配一個讀線程、處理線程以及同步的事件，那麼對操做系統的開銷會變得很大，而且不支持大數據量的socket連接

2. 非阻塞I/O

解釋：非阻塞IO就是經過反覆調用IO函數，若是沒有數據，那麼會當即返回一個錯誤的接口，不斷去調用，不斷去輪詢，查看是否能夠獲取數據，一般來講，這種比較耗費大量的cpu時間，在數據拷貝階段，仍是阻塞的，原理就是應用程序在socket非阻塞的時候，告訴操做系統，不要在沒有數據的時候把我掛起或者休眠，而是返回一個錯誤的信號

僞代碼：

{     while(read(socket, buffer) != SUCCESS)     ;     process(buffer); }

特色：不容易使用，須要編寫更多的代碼，若是非阻塞IO在控制創建多個鏈接，在數據的收發量不均，時間不定的狀況下，更具優點

3. I/O複用模型

解釋：主要就是select、poll和epoll，有了I/O複用，咱們可使用select或者poll或者epoll，兩次調用，兩次返回，相對於阻塞I/O沒有什麼優越性，關鍵是能實現同時對多個IO端口進行監聽，會使進程阻塞，能夠同時阻塞多個I/O操做。

多路複用I/O模型是目前使用比較多的模型，所謂多路複用，能夠理解爲在一個應用線程裏面能夠處理多個socket鏈接，或者同一個端口接受來自多個客戶端的請求（鏈接、讀、寫），多路複用I/O與傳統的非阻塞IO的區別在於，在傳統的非阻塞I/O中，是由用戶去輪詢socket狀態，而在多路複用I/O中，由內核去輪詢向select註冊的socket的狀態，因此多路複用IO須要操做系統的支持。

最大的優點是，在同一個線程中，能夠同時處理多個socket的IO請求，在同步阻塞模型中，必須經過多線程的方式才能夠達到這個目的。while循環以前，將socket添加到select監視中，而後while循環一直調用select獲取被激活的socket，一旦socket可讀，便調用read函數將socket中的數據讀取出來。可是每一個IO請求的過程仍是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。

僞代碼：

{     select(socket);     while(true){         sockets = select();         for(socket in sockets){             if(can_read(socket)){                 read(socket, buffer);                 process(buffer);             }         }     } }

特色：使用場景：

1）當客戶處理多個描述符（一般是交互式輸入和socket）時，必須使用I/O複用

2）一個客戶同時處理多個socket是可能的

3）若是一個TCP服務器既要處理監聽socket，又要處理已經鏈接的socket，通常就要使用I/O複用

4）若是一個服務器既要處理TCP，又要處理UDP，通常就要使用I/O複用

4. 信號驅動I/O

解釋：首先咱們容許socket進行信號驅動I/O，而且安裝一個信號處理函數，進行繼續運行不阻塞，當數據準備好以後，進程收到一個SIGIO信號，能夠在信號處理函數中調用I/O操做函數處理數據

特色：這種模型的優點在於等待數據包到達期間，進程不會被阻塞，只須要等待信號處理函數的通知，既能夠是數據準備好被處理，也能夠是數據包已經準備好被讀取

5. 異步I/O模型

解釋：先異步調用，可是不會當即返回數據，而是等待被調用部件完成後，經過狀態、通知和回調來通知調用者的輸入輸出操做，這個與信號驅動I/O的區別在於：1）信號驅動I/O是由內核通知咱們如何啓動一個I/O操做；2）而異步I/O模型是由內核通知咱們I/O操做什麼時候完成，異步I/O模型纔是最理想的I/O模型，在異步I/O模型中，當用戶線程發起read操做以後，馬上就能夠開始去作其餘的事情。而另一方面，從內核的角度，當它收到asynchronous read以後，它會馬上返回，說明read請求已經成功發起，所以不會對用戶線程產生任何block。而後內核會等待數據準備完成，而後將數據拷貝到用戶線程，當這一切都完成以後，內核就會給用戶線程發一個信號，告訴它read操做完成了。也就說用戶線程徹底不須要實際的整個I/O操做是如何進行的，只須要先發起一個請求，當接受內核返回成功的信號時表示I/O操做已經完成，能夠直接去使用數據了，異步I/O模型中，由操做系統內核去等待數據就緒，copy數據到用戶空間，用戶線程始終沒有阻塞。

特色：咱們調用aio_read函數，給內核傳遞描述符、緩衝區指針，緩衝區大小和文件偏移，並告訴內核當整個操做完成的時候如何通知咱們。該系統調用後就當即返回，並且在等待I/O完成期間，咱們的進程不被阻塞

 

 

 

 

參考資料：

http://www.javashuo.com/article/p-pwrcnrab-mb.html

http://www.javashuo.com/article/p-kxbsmybh-bb.html

http://www.javashuo.com/article/p-svswsmok-mz.html

http://www.javashuo.com/article/p-mafvjqlm-ba.html

http://www.javashuo.com/article/p-sjawietj-z.html