Linux socket IO模型

文／人世間（簡書做者）
原文連接：http://www.jianshu.com/p/55eb83d60ab1
著做權歸做者全部，轉載請聯繫做者得到受權，並標註「簡書做者」。

網絡應用須要處理的無非就是兩大類問題，網絡I/O，數據計算。相對於後者，網絡I/O的延遲，給應用帶來的性能瓶頸大於後者。網絡I/O的模型大體有以下幾種：

• 同步模型（synchronous I/O）
  • 阻塞I/O（bloking I/O）
  • 非阻塞I/O（non-blocking I/O）
  • 多路複用I/O（multiplexing I/O）
  • 信號驅動式I/O（signal-driven I/O）
• 異步I/O（asynchronous I/O）

網絡I/O的本質是socket的讀取，socket在linux系統被抽象爲流，I/O能夠理解爲對流的操做。這個操做又分爲兩個階段：

1. 等待流數據準備好。
2. 從內核向進程複製數據。

對於socket流而已，第一步一般涉及等待網絡上的數據分組到達，而後被複制到內核的某個緩衝區。第二步把數據從內核緩衝區複製到應用進程緩衝區。

文／人世間（簡書做者）
原文連接：http://www.jianshu.com/p/55eb83d60ab1
著做權歸做者全部，轉載請聯繫做者得到受權，並標註「簡書做者」。

阻塞I/O（bloking I/O）

阻塞I/O是最流行的I/O模型。它符合人們最多見的思考邏輯。阻塞就是進程 "被" 休息, CPU處理其它進程去了(應用程序阻塞，CPU會經過調用add_wait_queue進入等待隊列，以後調用schedule調度到其餘進程。)。在網絡I/O的時候，進程發起recvform系統調用，而後進程就被阻塞了，什麼也不幹，直到數據準備好，而且將數據從內核複製到用戶進程，最後進程再處理數據，在等待數據處處理數據的兩個階段，整個進程都被阻塞。不能處理別的網絡I/O。大體以下圖：

這就比如咱們去釣魚，拋竿以後就一直在岸邊等，直到等待魚上鉤。而後再一次拋竿，等待下一條魚上鉤，等待的時候，什麼事情也不作，大概會胡思亂想吧。

非阻塞I/O（non-bloking I/O）

在網絡I/O時候，非阻塞I/O也會進行recvform系統調用，檢查數據是否準備好，與阻塞I/O不同，"非阻塞將大的整片時間的阻塞分紅N多的小的阻塞, 因此進程不斷地有機會 '被' CPU光顧"。

也就是說非阻塞的recvform系統調用調用以後，進程並無被阻塞，內核立刻返回給進程，若是數據還沒準備好，此時會返回一個error。進程在返回以後，能夠乾點別的事情，而後再發起recvform系統調用。重複上面的過程，循環往復的進行recvform系統調用。這個過程一般被稱之爲輪詢。輪詢檢查內核數據，直到數據準備好，再拷貝數據到進程，進行數據處理。須要注意，拷貝數據整個過程，進程仍然是屬於阻塞的狀態。

2.png

咱們再用釣魚的方式來類別，當咱們拋竿入水以後，就看下魚漂是否有動靜，若是沒有魚上鉤，就去幹點別的事情，好比再挖幾條蚯蚓。而後不久又來看看魚漂是否有魚上鉤。這樣往返的檢查又離開，直到魚上鉤，再進行處理。

多路複用I/O（multiplexing I/O）

能夠看出，因爲非阻塞的調用，輪詢佔據了很大一部分過程，輪詢會消耗大量的CPU時間。結合前面兩種模式。若是輪詢不是進程的用戶態，而是有人幫忙就行了。多路複用正好處理這樣的問題。

多路複用有兩個特別的系統調用select或poll。select調用是內核級別的，select輪詢相對非阻塞的輪詢的區別在於---前者能夠等待多個socket，當其中任何一個socket的數據準好了，就能返回進行可讀，而後進程再進行recvform系統調用，將數據由內核拷貝到用戶進程，固然這個過程是阻塞的。多路複用有兩種阻塞，select或poll調用以後，會阻塞進程，與第一種阻塞不一樣在於，此時的select不是等到socket數據所有到達再處理, 而是有了一部分數據就會調用用戶進程來處理，也能夠理解爲"非阻塞"吧。

3.png

對於多路複用，也就是輪詢多個socket。釣魚的時候，咱們僱了一個幫手，他能夠同時拋下多個釣魚竿，任何一杆的魚一上鉤，他就會拉桿。他只負責幫咱們釣魚，並不會幫咱們處理，因此咱們還得在一幫等着，等他把收杆。咱們再處理魚。多路複用既然能夠處理多個I/O，也就帶來了新的問題，多個I/O之間的順序變得不肯定了，固然也能夠針對不一樣的編號。

瞭解了前面三種模式，在用戶進程進行系統調用的時候，他們在等待數據到來的時候，處理的方式不同，直接等待，輪詢，select或poll輪詢，第一個過程有的阻塞，有的不阻塞，有的能夠阻塞又能夠不阻塞。當時第二個過程都是阻塞的。從整個I/O過程來看，他們都是順序執行的，所以能夠歸爲同步模型(asynchronous)。都是進程主動向內核檢查。

異步I/O（asynchronous I/O）

相對於同步I/O，異步I/O不是順序執行。用戶進程進行aio_read系統調用以後，不管內核數據是否準備好，都會直接返回給用戶進程，而後用戶態進程能夠去作別的事情。等到socket數據準備好了，內核直接複製數據給進程，而後從內核向進程發送通知。I/O兩個階段，進程都是非阻塞的。

4.png

比以前的釣魚方式不同，這一次咱們僱了一個釣魚高手。他不只會釣魚，還會在魚上鉤以後給咱們發短信，通知咱們魚已經準備好了。咱們只要委託他去拋竿，而後就能跑去幹別的事情了，直到他的短信。咱們再回來處理已經上岸的魚。

同步和異步的區別

經過對上述幾種模型的討論，須要區分阻塞和非阻塞，同步和異步。他們實際上是兩組概念。區別前一組比較容易，後一種每每容易和前面混合。在我看來，所謂同步就是在整個I/O過程。尤爲是拷貝數據的過程是阻塞進程的，而且都是應用進程態去檢查內核態。而異步則是整個過程I/O過程用戶進程都是非阻塞的，而且當拷貝數據的時是由內核發送通知給用戶進程。

5.png

對於同步模型，主要是第一階段處理方法不同。而異步模型，兩個階段都不同。這裏咱們忽略了信號驅動模式。這幾個名詞仍是容易讓人迷惑，只有同步模型才考慮阻塞和非阻塞，由於異步確定是非阻塞，異步非阻塞的說法感受多此一舉。

本文所討論的IO模型來自大名鼎鼎的《unix網絡編程：卷1套接字聯網API》。單臺服務器中的linux系統。分佈式的環境或許會不同。我的學習筆記，參考了網絡上大多數文章，作了一點小測試。