Linux 网络编程的5种IO模型：异步IO模型

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5.异步IO模型

　　异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。

　　也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

　　注意，异步IO是需要操作系统的底层支持，在Java 7中，提供了Asynchronous IO。简称AIO

前面四种IO模型实际上都属于同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。

两种高性能IO设计模式

在传统的网络服务设计模式中，有两种比较经典的模式：

　　一种是多线程，一种是线程池。

　　对于多线程模式，也就说来了client，服务器就会新建一个线程来处理该client的读写事件，如下图所示：

这种模式虽然处理起来简单方便，但是由于服务器为每个client的连接都采用一个线程去处理，使得资源占用非常大。因此，当连接数量达到上限时，再有用户请求连接，直接会导致资源瓶颈，严重的可能会直接导致服务器崩溃。

　　因此，为了解决这种一个线程对应一个客户端模式带来的问题，提出了采用线程池的方式，也就说创建一个固定大小的线程池，来一个客户端，就从线程池取一个空闲线程来处理，当客户端处理完读写操作之后，就交出对线程的占用。因此这样就避免为每一个客户端都要创建线程带来的资源浪费，使得线程可以重用。

　　但是线程池也有它的弊端，如果连接大多是长连接，因此可能会导致在一段时间内，线程池中的线程都被占用，那么当再有用户请求连接时，由于没有可用的空闲线程来处理，就会导致客户端连接失败，从而影响用户体验。因此，线程池比较适合大量的短连接应用。

　　因此便出现了下面的两种高性能IO设计模式：Reactor和Proactor。

在Reactor模式中，会先对每个client注册感兴趣的事件，然后有一个线程专门去轮询每个client是否有事件发生，当有事件发生时，便顺序处理每个事件，当所有事件处理完之后，便再转去继续轮询，如下图所示：

从这里可以看出，上面的五种IO模型中的多路复用IO就是采用Reactor模式。注意，上面的图中展示的是顺序处理每个事件，当然为了提高事件处理速度，可以通过多线程或者线程池的方式来处理事件。Java NIO使用的就是这种

　　在Proactor模式中，当检测到有事件发生时，会新起一个异步操作，然后交由内核线程去处理，当内核线程完成IO操作之后，发送一个通知告知操作已完成，可以得知，异步IO模型采用的就是Proactor模式。Java AIO使用的这种。

异步IO

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <aio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


static char *memBuffer;
static int sFileDesc;
static struct sigaction sOldSigAction;

static void MySigQuitHandler(int sig)
{
    printf("Signal Quit! The number is: %d\n", sig);
}

static void MyFileReadCompleteProcedure(int sig, siginfo_t *si, void *ucontext)
{
    printf("The file length is: %zu, and the content is: %s\n", strlen(memBuffer), memBuffer);
    int status = close(sFileDesc);
    if(status == 0)
        puts("File closed successfully!");
    else
        printf("The error code is: %d\n", status);

    free(memBuffer);

    // 还原原来的SIGUSR1信号行为
    if(sigaction(SIGUSR1, &sOldSigAction, NULL) == -1)
        puts("SIGUSR1 signal restore failed!");
}

int main(void)
{
    struct sigaction sigAction = { .sa_flags = SA_RESTART, .sa_handler = &MySigQuitHandler };

    sigemptyset(&sigAction.sa_mask);

    if (sigaction(SIGQUIT, &sigAction, NULL) == -1)
    {
        puts("Signal failed!");
        return -1;
    }

    sigAction.sa_sigaction = &MyFileReadCompleteProcedure;
    if(sigaction(SIGUSR1, &sigAction, &sOldSigAction) == -1)
    {
        puts("Signal failed!");
        return -1;
    }

    const char *filePath = "myfile.txt";

    const mode_t mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH;
    sFileDesc = open(filePath, O_RDONLY, mode);
    if(sFileDesc == -1)
    {
        printf("The file: %s cannot be opened!\n", filePath);
        return -1;
    }

    const long fileLength = lseek(sFileDesc, 0, SEEK_END);
    lseek(sFileDesc, 0, SEEK_SET);

    memBuffer = malloc(fileLength + 1);
    memBuffer[fileLength] = '\0';

    struct aiocb aioBuffer;
    aioBuffer.aio_fildes = sFileDesc;
    aioBuffer.aio_offset = 0;
    aioBuffer.aio_buf = memBuffer;
    aioBuffer.aio_nbytes = fileLength;
    aioBuffer.aio_reqprio = 0;
    aioBuffer.aio_sigevent = (struct sigevent){.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL, .sigev_signo = SIGUSR1, .sigev_value.sival_ptr = memBuffer };

    aio_read(&aioBuffer);

    getchar();

    return 0;
}

Linux 网络编程的5种IO模型：异步IO模型

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