淺聊Linux的五種IO模型

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在平常 Coding 中，多多少少都會接觸到網絡 IO，就會想要深刻了解一下。看了不少文章，老是雲裏霧裏的感受，直到讀了《UNIX網絡編程 卷1：套接字聯網API》中的介紹後，才豁然開朗。這裏就給你們分享一下，若有不對，歡迎指出。

1. 概念說明

爲了便於理解後面的內容，咱們先來了解一些概念。

1.1 Socket

Socket 中文翻譯爲套接字，是計算機網絡中進程間進行雙向通訊的端點的抽象。一個 Socket 表明了網絡通訊的一端，是由操做系統提供的進程間通訊機制。

• 在操做系統中，一般會爲應用程序提供一組應用程序接口，稱爲 Socket 接口（Socket API）。應用程序能夠經過 Socket 接口，來使用網絡 Socket，以進行數據的傳輸。
• 一個 Socket 由IP地址和端口組成，即：Socket 地址 = IP地址 : 端口號。
• 在同一臺計算機上，TCP 協議與 UDP 協議能夠同時使用相同的端口（Port），而互不干擾。
• 要想實現網絡通訊，至少須要一對 Socket，其中一個運行在客戶端，稱之爲 Client Socket；另外一個運行在服務器端，稱之爲 Server Socket。
• Socket 之間的鏈接過程能夠分爲三個步驟：（1）服務器監聽；（2）客戶端鏈接；（3）鏈接確認。

1.2 Socket 緩衝區

每一個 Socket 被建立後，都會在內核中分配兩個緩衝區：輸入緩衝區和輸出緩衝區。

• 經過 Socket 發送數據並不會當即向網絡中傳輸數據，而是先將數據寫入到輸出緩衝區中，再由 TCP 協議將數據從輸出緩衝區發送到目標主機。
• 經過 Socket 接收數據也是如此，也是從輸入緩衝區中讀取數據，而不是直接從網絡中讀取。

1.3 用戶空間、內核空間、系統調用

操做系統的進程空間能夠分爲用戶空間（User Space）和內核空間（Kernel Space），它們須要不一樣的執行權限。

• 大多數系統交互式操做須要在內核空間中運行，好比設備 IO 操做。
• 咱們的應用程序運行在用戶空間，是不具有系統級的直接操做權限的。若是應用程序想要訪問系統核心功能，必須經過系統調用（System Call）來完成。好比調用recv()函數，會將輸入緩衝區中的內容拷貝到用戶緩衝區。
• 系統調用運行在內核空間，是操做系統爲應用程序提供的接口。

下面列舉了一些 Linux 操做系統中的系統調用接口（部分函數後面章節會用到）：

• socketcall socket系統調用
• socket 創建socket
• bind 綁定socket到端口
• connect 鏈接遠程主機
• accept 響應socket鏈接請求
• send 經過socket發送信息
• sendto 發送UDP信息
• recv 經過socket接收信息
• recvfrom 接收UDP信息
• listen 監聽socket端口
• select 對多路同步IO進行輪詢
• shutdown 關閉socket上的鏈接
• sigaction 設置對指定信號的處理方法

1.4 阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞，用於描述調用者在等待返回結果時的狀態。

• 阻塞：調用者發起請求後，會一直等待返回結果，這期間當前線程會被掛起（阻塞）。
• 非阻塞：調用者發起請求後，會馬上返回，當前線程也不會阻塞。該調用不會馬上獲得結果，調用者須要定時輪詢查看處理狀態。

1.5 同步與異步

而同步與異步，用於描述調用結果的返回機制（或者叫通訊機制）。

• 同步：調用者發起請求後，會一直等待返回結果，即由調用者主動等待這個調用結果。
• 異步：調用者發起請求後，會馬上返回，但不會馬上獲得這個結果，而是由被調者在執行結束後主動通知（如 Callback）調用者。

2. 五種 IO 模型

IO 模型是指：用什麼樣的通道或者說是通訊模式進行數據的傳輸，這很大程序上決定了程序通訊的性能。

Linux 系統爲咱們提供五種可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路複用模型、信號驅動 IO 模型和異步 IO 模型。

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO （Blocking IO）：應用進程從發起 IO 系統調用，至內核返回成功標識，這整個期間是處於阻塞狀態的。

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式IO（Non-Blocking IO）：應用進程能夠將 Socket 設置爲非阻塞，這樣應用進程在發起 IO 系統調用後，會馬上返回。應用進程能夠輪詢的發起 IO 系統調用，直到內核返回成功標識。

2.3 IO 多路複用模型

IO 多路複用（IO Multiplexin）：能夠將多個應用進程的 Socket 註冊到一個 Select（多路複用器）上，而後使用一個進程來監聽該 Select（該操做會阻塞），Select 會監聽全部註冊進來的 Socket。只要有一個 Socket 的數據準備好，就會返回該Socket。再由應用進程發起 IO 系統調用，來完成數據讀取。

2.4 信號驅動 IO 模型

信號驅動 IO（Signal Driven IO）：能夠爲 Socket 開啓信號驅動 IO 功能，應用進程需向內核註冊一個信號處理程序，該操做並當即返回。當內核中有數據準備好，會發送一個信號給應用進程，應用進程即可以在信號處理程序中發起 IO 系統調用，來完成數據讀取了。

2.5 異步 IO 模型

異步 IO（Asynchronous IO）： 應用進程發起 IO 系統調用後，會當即返回。當內核中數據徹底準備後，而且也複製到了用戶空間，會產生一個信號來通知應用進程。

3. 總結

從上述五種 IO 模型能夠看出，應用進程對內核發起 IO 系統調用後，內核會通過兩個階段來完成數據的傳輸：

• 第一階段：等待數據。即應用進程發起 IO 系統調用後，會一直等待數據；當有數據傳入服務器，會將數據放入內核空間，此時數據準備好。
• 第二階段：將數據從內核空間複製到用戶空間，並返回給應用程序成功標識。

前四種模型的第二階段是相同的，都是處於阻塞狀態，其主要區別在第一階段。而異步 IO 模型則不一樣，應用進程在這兩個階段是徹底不阻塞的。

IO 模型	第一階段	第二階段
阻塞式IO	阻塞	阻塞
非阻塞式IO	非阻塞	阻塞
IO多路程複用	阻塞（Select）	阻塞
信號驅動式IO	異步	阻塞
異步IO	異步	異步

參考資料

• UNIX網絡編程 卷1：套接字聯網API

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