深入理解Unix下的五种I/O网络模型

Unix下的五种I/O网络模型分别为：

（1）阻塞式I/O
（2）非阻塞式I/O
（3）I/O多路复用
（4）信号驱动式I/O
（5）异步I/O

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为什么会有这5种I/O模型？

明确两点：

1. 网络I/O会涉及到两个系统对象：
   (1) 用户空间 调用的IO进程/线程；
   (2) 内核空间 的内核系统；

2. I/O操作会经历两个阶段：
   (1) 等待数据准备就绪；
   (2) 将数据从内核拷贝到进程或者线程；

   上述两个步骤是针对read操作，如果是write，则I/O的两个阶段为：
   (1) 等待写缓冲区可写；
   (2) 将待写入的数据从进程或者线程拷贝到内核；

   针对在I/O操作的这两个阶段是否会发生阻塞，将I/O操作划分为5种模型。

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“真正的I/O操作”：

将数据从内核空间拷贝到用户空间（recvfrom）和 将数据从用户空间拷贝到内核空间（sendto） 才是真正的I/O操作，等待数据就绪实际上并不是I/O操作，它只是在判断I/O是否可操作。

因此判断一个I/O模型是同步还是异步的标准就是 判断I/O操作时（recvfrom、sendto）是否将用户进程阻塞住。

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同步与异步、阻塞与非阻塞：

同步、异步 描述的两个系统系统对象的关系（一个对象在操作I/O时是否会阻塞住另一个对象的执行，或者说一个对象是否会在另一个对象操作I/O时阻塞直至其操作完毕）；

阻塞、非阻塞描述的是一个I/O的状态。

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1. 阻塞式I/O：

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阻塞式IO在【等待数据】和【拷贝数据】这两步都是阻塞的。

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2. 非阻塞式I/O：

非阻塞式IO在【等待数据】这一步是非阻塞的，在【拷贝数据】这一步是阻塞的，所以“非阻塞式IO”是一个伪的非阻塞形式，它在从内核将数据拷贝到用户空间的这一步中还是阻塞式操作的，异步IO才是真正的非阻塞。

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3. I/O多路复用：

进程阻塞在select函数上等待数据可读，当数据就绪后select返回，应用进程根据select返回的就绪fd的类型（可读、可写、出错）去调用对应的函数拷贝数据，拷贝数据的过程依然是阻塞式的。

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4. 信号驱动式I/O：

进程调用sigaction函数注册信号回调函数后就返回，因此在等待数据就绪这一步是非阻塞式的；当数据就绪后，内核调用之前注册号的信号回调函数，进程开始拷贝数据，这一步是阻塞的。

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5. 异步I/O：

【等待数据就绪】与【拷贝数据】这两步都是非阻塞的，当数据就绪后内核会自动将数据从内核空间拷贝的用户空间，拷贝完成后向用户进程发送一个信号，通知用户进程来读取数据。

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5种I/O模型的比较：

前4种模型都是 同步I/O，因为 真正的I/O操作（recvfrom、sendto）将阻塞进程；
只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配。