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前言

大家好，我是程序員田螺。今天我們一起來學(xué)習(xí)IO模型。在本文開始前呢，先問問大家?guī)讉€問題哈~

什么是IO呢?什么是阻塞非阻塞IO?什么是同步異步IO?什么是IO多路復(fù)用?select/epoll跟IO模型有什么關(guān)系?有幾種經(jīng)典IO模型呢?BIO、NIO、AIO到底有什么區(qū)別的?

如果這些問題，你都能很好答上的話，那恭喜你，你對IO的掌握已經(jīng)很棒啦!那你跟田螺哥一起看完這篇文章，再復(fù)習(xí)一下，加深印象吧~如果你對這些問題模棱兩可的話，那也沒關(guān)系，看完這篇文章，就理解啦!

什么是IO呢?

IO，英文全稱是Input/Output，翻譯過來就是輸入/輸出。平時我們聽得挺多，就是什么磁盤IO，網(wǎng)絡(luò)IO。那IO到底是什么呢?是不是有種懵懵懂懂的感覺呀，好像大概知道它是什么，又好像說不清楚。

IO，即輸入/輸出，到底誰是輸入?誰是輸出呢?IO如果脫離了主體，就會讓人疑惑。

計算機角度的IO

我們常說的輸入輸出，比較直觀的意思就是計算機的輸入輸出，計算機就是主體。大家是否還記得，大學(xué)學(xué)計算機組成原理的時候，有個馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，它將計算機分成分為5個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

輸入設(shè)備是向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，鍵盤，鼠標都屬于輸入設(shè)備;輸出設(shè)備是計算機硬件系統(tǒng)的終端設(shè)備，用于接收計算機數(shù)據(jù)的輸出顯示，一般顯示器、打印機屬于輸出設(shè)備。

例如你在鼠標鍵盤敲幾下，它就會把你的指令數(shù)據(jù)，傳給主機，主機通過運算后，把返回的數(shù)據(jù)信息，輸出到顯示器。

鼠標、顯示器這只是直觀表面的輸入輸出，回到計算機架構(gòu)來說，涉及計算機核心與其他設(shè)備間數(shù)據(jù)遷移的過程，就是IO。如磁盤IO，就是從磁盤讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，這算一次輸入，對應(yīng)的，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，就算輸出。這就是IO的本質(zhì)。

操作系統(tǒng)的IO

我們要將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入到磁盤的話，主體會是什么呢?主體可能是一個應(yīng)用程序，比如一個Java進程(假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳來二進制流，一個Java進程可以把它寫入到磁盤)。

操作系統(tǒng)負責(zé)計算機的資源管理和進程的調(diào)度。我們電腦上跑著的應(yīng)用程序，其實是需要經(jīng)過操作系統(tǒng)，才能做一些特殊操作，如磁盤文件讀寫、內(nèi)存的讀寫等等。因為這些都是比較危險的操作，不可以由應(yīng)用程序亂來，只能交給底層操作系統(tǒng)來。也就是說，你的應(yīng)用程序要把數(shù)據(jù)寫入磁盤，只能通過調(diào)用操作系統(tǒng)開放出來的API來操作。

什么是用戶空間?什么是內(nèi)核空間?

以32位操作系統(tǒng)為例，它為每一個進程都分配了4G(2的32次方)的內(nèi)存空間。這4G可訪問的內(nèi)存空間分為二部分，一部分是用戶空間，一部分是內(nèi)核空間。內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問的區(qū)域，是受保護的內(nèi)存空間，而用戶空間是用戶應(yīng)用程序訪問的內(nèi)存區(qū)域。

我們應(yīng)用程序是跑在用戶空間的，它不存在實質(zhì)的IO過程，真正的IO是在操作系統(tǒng)執(zhí)行的。即應(yīng)用程序的IO操作分為兩種動作：IO調(diào)用和IO執(zhí)行。IO調(diào)用是由進程(應(yīng)用程序的運行態(tài))發(fā)起，而IO執(zhí)行是操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作。此時所說的IO是應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)IO功能的一次觸發(fā)，即IO調(diào)用。

操作系統(tǒng)的一次IO過程

應(yīng)用程序發(fā)起的一次IO操作包含兩個階段：

• IO調(diào)用：應(yīng)用程序進程向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起調(diào)用。
• IO執(zhí)行：操作系統(tǒng)內(nèi)核完成IO操作。

操作系統(tǒng)內(nèi)核完成IO操作還包括兩個過程：

• 準備數(shù)據(jù)階段：內(nèi)核等待I/O設(shè)備準備好數(shù)據(jù)
• 拷貝數(shù)據(jù)階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程緩沖區(qū)

其實IO就是把進程的內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到外部設(shè)備，或者把外部設(shè)備的數(shù)據(jù)遷移到進程內(nèi)部。外部設(shè)備一般指硬盤、socket通訊的網(wǎng)卡。一個完整的IO過程包括以下幾個步驟：

應(yīng)用程序進程向操作系統(tǒng)發(fā)起IO調(diào)用請求

操作系統(tǒng)準備數(shù)據(jù)，把IO外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，加載到內(nèi)核緩沖區(qū)

操作系統(tǒng)拷貝數(shù)據(jù)，即將內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，拷貝到用戶進程緩沖區(qū)

阻塞IO模型

我們已經(jīng)知道IO是什么啦，那什么是阻塞IO呢?

假設(shè)應(yīng)用程序的進程發(fā)起IO調(diào)用，但是如果內(nèi)核的數(shù)據(jù)還沒準備好的話，那應(yīng)用程序進程就一直在阻塞等待，一直等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，才返回成功提示，此次IO操作，稱之為阻塞IO。

阻塞IO比較經(jīng)典的應(yīng)用就是阻塞socket、Java BIO。

阻塞IO的缺點就是：如果內(nèi)核數(shù)據(jù)一直沒準備好，那用戶進程將一直阻塞，浪費性能，可以使用非阻塞IO優(yōu)化。

非阻塞IO模型

如果內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒準備好，可以先返回錯誤信息給用戶進程，讓它不需要等待，而是通過輪詢的方式再來請求。這就是非阻塞IO，流程圖如下：

非阻塞IO的流程如下：

• 應(yīng)用進程向操作系統(tǒng)內(nèi)核，發(fā)起recvfrom讀取數(shù)據(jù)。
• 操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)沒有準備好，立即返回EWOULDBLOCK錯誤碼。
• 應(yīng)用程序進程輪詢調(diào)用，繼續(xù)向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起recvfrom讀取數(shù)據(jù)。
• 操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間。
• 完成調(diào)用，返回成功提示。

非阻塞IO模型，簡稱NIO，Non-Blocking IO。它相對于阻塞IO，雖然大幅提升了性能，但是它依然存在性能問題，即頻繁的輪詢，導(dǎo)致頻繁的系統(tǒng)調(diào)用，同樣會消耗大量的CPU資源。可以考慮IO復(fù)用模型，去解決這個問題。

IO多路復(fù)用模型

既然NIO無效的輪詢會導(dǎo)致CPU資源消耗，我們等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了，主動通知應(yīng)用進程再去進行系統(tǒng)調(diào)用，那不就好了嘛?

在這之前，我們先來復(fù)習(xí)下，什么是文件描述符fd(File Descriptor),它是計算機科學(xué)中的一個術(shù)語，形式上是一個非負整數(shù)。當(dāng)程序打開一個現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個新文件時，內(nèi)核向進程返回一個文件描述符。

IO復(fù)用模型核心思路：系統(tǒng)給我們提供一類函數(shù)(如我們耳濡目染的select、poll、epoll函數(shù))，它們可以同時監(jiān)控多個fd的操作，任何一個返回內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒，應(yīng)用進程再發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用。

IO多路復(fù)用之select

應(yīng)用進程通過調(diào)用select函數(shù)，可以同時監(jiān)控多個fd，在select函數(shù)監(jiān)控的fd中，只要有任何一個數(shù)據(jù)狀態(tài)準備就緒了，select函數(shù)就會返回可讀狀態(tài)，這時應(yīng)用進程再發(fā)起recvfrom請求去讀取數(shù)據(jù)。

非阻塞IO模型(NIO)中，需要N(N>=1)次輪詢系統(tǒng)調(diào)用，然而借助select的IO多路復(fù)用模型，只需要發(fā)起一次詢問就夠了,大大優(yōu)化了性能。

但是呢，select有幾個缺點：

• 監(jiān)聽的IO最大連接數(shù)有限，在Linux系統(tǒng)上一般為1024。
• select函數(shù)返回后，是通過遍歷fdset，找到就緒的描述符fd。(僅知道有I/O事件發(fā)生，卻不知是哪幾個流，所以遍歷所有流)

因為存在連接數(shù)限制，所以后來又提出了poll。與select相比，poll解決了連接數(shù)限制問題。但是呢，select和poll一樣，還是需要通過遍歷文件描述符來獲取已經(jīng)就緒的socket。如果同時連接的大量客戶端，在一時刻可能只有極少處于就緒狀態(tài)，伴隨著監(jiān)視的描述符數(shù)量的增長，效率也會線性下降。

因此經(jīng)典的多路復(fù)用模型epoll誕生。

IO多路復(fù)用之epoll

為了解決select/poll存在的問題，多路復(fù)用模型epoll誕生，它采用事件驅(qū)動來實現(xiàn)，流程圖如下：

epoll先通過epoll_ctl()來注冊一個fd(文件描述符)，一旦基于某個fd就緒時，內(nèi)核會采用回調(diào)機制，迅速激活這個fd，當(dāng)進程調(diào)用epoll_wait()時便得到通知。這里去掉了遍歷文件描述符的坑爹操作，而是采用監(jiān)聽事件回調(diào)的機制。這就是epoll的亮點。

我們一起來總結(jié)一下select、poll、epoll的區(qū)別

epoll明顯優(yōu)化了IO的執(zhí)行效率，但在進程調(diào)用epoll_wait()時，仍然可能被阻塞。能不能醬紫：不用我老是去問你數(shù)據(jù)是否準備就緒，等我發(fā)出請求后，你數(shù)據(jù)準備好了通知我就行了，這就誕生了信號驅(qū)動IO模型。

IO模型之信號驅(qū)動模型

信號驅(qū)動IO不再用主動詢問的方式去確認數(shù)據(jù)是否就緒，而是向內(nèi)核發(fā)送一個信號(調(diào)用sigaction的時候建立一個SIGIO的信號)，然后應(yīng)用用戶進程可以去做別的事，不用阻塞。當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好后，再通過SIGIO信號通知應(yīng)用進程，數(shù)據(jù)準備好后的可讀狀態(tài)。應(yīng)用用戶進程收到信號之后，立即調(diào)用recvfrom，去讀取數(shù)據(jù)。

信號驅(qū)動IO模型，在應(yīng)用進程發(fā)出信號后，是立即返回的，不會阻塞進程。它已經(jīng)有異步操作的感覺了。但是你細看上面的流程圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)用緩沖的時候，應(yīng)用進程還是阻塞的?；剡^頭來看下，不管是BIO，還是NIO，還是信號驅(qū)動，在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到應(yīng)用緩沖的時候，都是阻塞的。還有沒有優(yōu)化方案呢?AIO(真正的異步IO)!

IO 模型之異步IO(AIO)

前面講的BIO，NIO和信號驅(qū)動，在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到應(yīng)用緩沖的時候，都是阻塞的，因此都不算是真正的異步。AIO實現(xiàn)了IO全流程的非阻塞，就是應(yīng)用進程發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用后，是立即返回的，但是立即返回的不是處理結(jié)果，而是表示提交成功類似的意思。等內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好，將數(shù)據(jù)拷貝到用戶進程緩沖區(qū)，發(fā)送信號通知用戶進程IO操作執(zhí)行完畢。

流程如下：

異步IO的優(yōu)化思路很簡單，只需要向內(nèi)核發(fā)送一次請求，就可以完成數(shù)據(jù)狀態(tài)詢問和數(shù)據(jù)拷貝的所有操作，并且不用阻塞等待結(jié)果。日常開發(fā)中，有類似思想的業(yè)務(wù)場景：

比如發(fā)起一筆批量轉(zhuǎn)賬，但是批量轉(zhuǎn)賬處理比較耗時，這時候后端可以先告知前端轉(zhuǎn)賬提交成功，等到結(jié)果處理完，再通知前端結(jié)果即可。

阻塞、非阻塞、同步、異步IO劃分

一個通俗例子讀懂BIO、NIO、AIO

• 同步阻塞(blocking-IO)簡稱BIO
• 同步非阻塞(non-blocking-IO)簡稱NIO
• 異步非阻塞(asynchronous-non-blocking-IO)簡稱AIO

一個經(jīng)典生活的例子：

• 小明去吃同仁四季的椰子雞，就這樣在那里排隊，等了一小時，然后才開始吃火鍋。(BIO)
• 小紅也去同仁四季的椰子雞，她一看要等挺久的，于是去逛會商場，每次逛一下，就跑回來看看，是不是輪到她了。于是最后她既購了物，又吃上椰子雞了。(NIO)
• 小華一樣，去吃椰子雞，由于他是高級會員，所以店長說，你去商場隨便逛會吧，等下有位置，我立馬打電話給你。于是小華不用干巴巴坐著等，也不用每過一會兒就跑回來看有沒有等到，最后也吃上了美味的椰子雞(AIO)

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