5种Linux 网络I/O模型解析

在实际应用中，数据操作通常分为输入和输出，那么以输入为例，在操作系统中，一个数据的输入通常分为两个过程：等待数据准备好和将准备好的数据从内核拷贝到用户空间。我们先来看看5种Linux网络I/O模型分别是什么？

1.阻塞I/O

2.非阻塞I/O

3.I/O多路复用

4.信号驱动I/O

5.异步I/O

下面我们来具体分析这5种Linux网络I/O模型：

1、阻塞IO模型

学习过操作系统的知识后，可以知道：不管是网络IO还是磁盘IO，对于读操作而言，都是等到网络的某个数据分组到达后/数据准备好后，将数据拷贝到内核空间的缓冲区中，再从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区。
此处需要一个清新的脑回路，我就是程序，我想要全家桶，于是发起了系统调用，而后厨加工的过程就是在做数据准备和拷贝工作。全家桶最终到手，数据终于从内核空间拷贝到了用户空间。

阻塞IO的执行过程是进程进行系统调用，等待内核将数据准备好并复制到用户态缓冲区后，进程放弃使用CPU并一直阻塞在此，直到数据准备好。

2、非阻塞IO模型

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）

每次应用程序询问内核是否有数据准备好。如果就绪，就进行拷贝操作；如果未就绪，就不阻塞程序，内核直接返回未就绪的返回值，等待用户程序下一个轮询。

非阻塞IO模型

大致经历两个阶段：

等待数据阶段：未阻塞， 用户进程需要盲等，不停的去轮询内核。

数据复制阶段：阻塞，此时进行数据复制。

在这两个阶段中，用户进程只有在数据复制阶段被阻塞了，而等待数据阶段没有阻塞，但是用户进程需要盲等，不停地轮询内核，看数据是否准备好。

3.IO多路复用模型

I/O 复用有时又被称为 事件驱动 I/O, 它的最大优势在于，我们可以将感兴趣的多个I/O事件（更精确的说，应该是 I/O 所对应的文件描述符）注册到 select/poll/epoll/kqueue 之中某一个系统调用上（很多时候，这些系统调用又被称为多路复用器。假设此时我们选择了 select() ）。此后，调用进程会阻塞在 select() 系统调用之上（而不是阻塞在真正的 I/O 系统调用（如 read(), write() 等）上）。select() 会负责监视所有已注册的 I/O 事件，一旦有任意一个事件的数据准备好，那么 select() 会立即返回，此时我们的用户进程便能够进行数据的复制操作。

总而言之，I/O 复用的优点就在于可以同时等待多个I/O事件；而缺点是会进行两次系统调用（一次 select(), 一次 read() ）。

4.信号驱动IO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。当数据报准备好的时候，内核会向应用程序发送一个信号，进程对信号进行捕捉，并且调用信号处理函数来获取数据报。

5.异步IO模型

 异步 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。 

异步I/O执行的两个阶段都不会阻塞读写操作，由内核完成。完成后内核将数据放到指定的缓冲区，通知应用程序来取。

通过以上的介绍，我想大家5种Linux网络I/O模型有了一定的了解和认识，而且也了解到了5种Linux网络I/O模型每种模型的优缺点，Linux同步 I/O 总会有阻塞的过程，这就是“同步”最本质的特征。而Linux异步 I/O 的最大特点在于用户进程均不阻塞。用户进程告知内核启动某一 I/O 操作， 并让内核全权代为执行（包括等待数据及拷贝数据至用户空间），此后用户进程可以立即执行其它的任何操作。等到所有 I/O 过程执行完成后， 内核会通知用户进程。由此可见，在整个过程中，用户进程均不阻塞。让我们携手本站的Linux教程，更加透彻的学习Linux中的各种知识吧！