Unix网络编程的5种I/O模型

这一篇介绍一下Unix网络编程的5种I/O模型，在介绍这5中I/O模型之前先介绍一下Unix网络编程中同步/异步和阻塞/非阻塞以及用户空间和内核空间的概念

在Linux/Unix中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到应用程序的缓冲区(用户空间)，它首先会被拷贝到操作系统内核的缓冲区(内核空间)中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区
可以看做是两个过程：1. Waiting for the data to be ready(等待数据到达内核缓冲区)；2. Copying the data from the kernel to the process(从内核缓冲区拷贝数据到应用程序缓冲区)

同步

异步

当一个异步过程调用发出后，调用者一般不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者
通知调用者的三种方式：
1. 状态——监听被调用者的状态(轮询)，调用者需要每隔一定时间检查一次，效率会很低；
2. 通知——当被调用者执行完成后，发出通知告知调用者，无需消耗太多性能
3. 回调——当被调用者执行完成后，会调用调用者提供的回调函数

阻塞

非阻塞

同步和异步的区别

阻塞和同步的区别

同步调用在结果返回之前，线程并没有进入挂起状态，OS还会给它分配占用CPU的时间片；阻塞调用在结果返回之前，线程处于挂起状态，OS不会再为其分配占用CPU的时间片，直到结果返回后，线程进入就绪状态在可能继续运行

阻塞和非阻塞的区别

同步/异步和阻塞/非阻塞的区别

阻塞I/O(blocking I/O)

在这里插入图片描述

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据，对于network IO来说，一般数据在一开始还没有到达，kernel会等待足够的数据到来，而在用户进程这边，整个进程会被阻塞挂起，当kernel等到数据准备好，它就会将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区，然后kernel返回结果，用户进程才进入就绪状态，重新运行起来

非阻塞I/O(nonblocking IO)
在这里插入图片描述

当用户进程发出recvfrom操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会阻塞用户进程，而是立刻返回，从用户进程角度讲，它发起一个recvfrom操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果，用户进程通过结果判断数据是否准备好，如果没有准备好过段时间再次发送recvfrom操作，一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的recvfrom调用操作，马上将数据从内核缓冲区拷贝到了用户进程缓冲区

I/O多路复用(I/O multiplexing)
在这里插入图片描述

select，poll以及大名鼎鼎的epoll就是IO多路复用模型，其特点就在于单个系统调用可以同时处理多个网络连接的IO，它的基本原理就是select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程
当用户进程调用了select/poll/epoll，整个进程会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select/poll/epoll负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select/poll/epoll就会返回。这个时候用户进程再调用recvfrom操作，将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区

信号驱动I/O(signal driven I/O)
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异步I/O(asynchronous I/O)
在这里插入图片描述

用户进程发起aio_read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞，然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了

参考文章：

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