一文搞懂BIO、NIO、I/O多路複用與異步AIO

一文搞懂BIO、NIO、I/O多路複用與異步AIO

1. IO操做本質

1. 內存分爲內核緩衝區和用戶緩衝區

2. 用戶的應用程序不能直接操做內核緩衝區，須要將數據從內核拷貝到用戶才能使用

3. 而IO操做、網絡請求加載到內存的數據一開始是放在內核緩衝區的

4. 數據的複製過程是不消耗CPU的

2. BIO 阻塞模式I/O

舉個例子：
一我的去 商店買一把菜刀，
他到商店問老闆有沒有菜刀（發起系統調用）
若是有（表示在內核緩衝區有須要的數據）
老闆直接把菜刀給買家（從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區）
這個過程買家一直在等待

若是沒有，商店老闆會向工廠下訂單（IO操做，等待數據準備好）
工廠把菜刀運給老闆（進入到內核緩衝區）
老闆把菜刀給買家（從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區）
這個過程買家一直在等待
是同步io

 

 3. NIO 非阻塞模式I/O

用戶進程發起請求，若是數據沒有準備好，那麼馬上告知用戶進程未準備好；此時用戶進程可選擇繼續發起請求、或者先去作其餘事情，稍後再回來繼續發請求，直到被告知數據準備完畢，能夠開始接收爲止； 數據會由用戶進程完成拷貝

舉個例子：
一我的去 商店買一把菜刀，
他到商店問老闆有沒有菜刀（發起系統調用）
老闆說沒有，在向工廠進貨（返回狀態）
買家去別地方玩了會，又回來問，菜刀到了麼（發起系統調用）
老闆說尚未（返回狀態）
買家又去玩了會（不斷輪詢）
最後一次再問，菜刀有了（數據準備好了）
老闆把菜刀遞給買家（從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區）

整個過程輪詢+等待：輪詢時沒有等待，能夠作其餘事，從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區須要等待
是同步io

4. I/O多路複用模型

相似BIO，只不過找了一個代理，來掛起等待，並能同時監聽多個請求； 數據會由用戶進程完成拷貝

舉個例子：多我的去 一個商店買菜刀，
多我的給老闆打電話，說我要買菜刀（發起系統調用）
老闆把每一個人都記錄下來（放到select中）
老闆去工廠進貨（IO操做）
有貨了，再挨個通知買到的人，來取刀（通知/返回可讀條件）
買家來到商店等待，老闆把到給買家（從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區）

多路複用：老闆能夠同時接受不少請求（select模型最大1024個，epoll模型），
可是老闆把到給買家這個過程，還須要等待，
是同步io

select本質也是輪詢最多能夠監聽1024個，而epoll模型是事件驅動，好了會主動告訴你

-select：小明，你寫好了麼？小紅你寫好了麼?.......
-epoll：同窗寫好了，舉手告訴老師來檢查（nginx、tornado用的是epoll）windows平臺不支持epoll，用的是select

5. 異步IO-AIO

發起請求馬上獲得回覆，不用掛起等待； 數據會由內核進程主動完成拷貝，目前不成熟

舉個例子：仍是買菜刀
如今是網上下單到商店（系統調用）
商店確認（返回）
商店去進貨（io操做）
商店收到貨把貨發個賣家（從內核緩衝區拷貝到用戶緩衝區）
買家收到貨（指定信號）

整個過程無等待
異步io

 

 

• 同步I/O與異步I/O判斷依據是，是否會致使用戶進程阻塞
• BIO中socket直接阻塞等待（用戶進程主動等待，並在拷貝時也等待）
• NIO中將數據從內核空間拷貝到用戶空間時阻塞（用戶進程主動詢問，並在拷貝時等待）
• IO Multiplexing中select等函數爲阻塞、拷貝數據時也阻塞（用戶進程主動等待，並在拷貝時也等待）
• AIO中從始至終用戶進程都沒有阻塞（用戶進程是被動的）