前言

在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型，分别是：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO以及异步IO。本篇文章主要介绍IO的基本概念以及阻塞IO、非阻塞IO、IO复用三种模型，供大家参考学习。

一、什么是IO

计算机视角理解IO:

对于计算机而言，任何涉及到计算机核心（CPU和内存）与其他设备间的数据转移的过程就是IO。IO对于计算机而言有两层意思:

• IO 设备:比如我们最常见的打印机、鼠标、键盘。
• 对IO设备的数据读写。

程序视角理解IO:

现代操作系统将空间划分为用户空间和内核空间。

• 用户空间:非内核应用程序则运行在用户空间。用户空间中的代码运行在较低的特权级别上，不能直接访问内核空间和硬件设备。
• 内核空间:操作系统的核心，是操作系统工作的基础，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

操作系统为了能够正常平稳地运行下去，它是不会允许应用程序随意访问计算机硬件部分，如内存、硬盘、网卡，应用程序必须通过操作系统提供的API来访问，以达到安全的访问控制。

总结:IO对于应用程序而言，强调的是通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。

应用程序发起一次IO访问分为两个阶段:

1. IO调用阶段：应用程序向内核发起系统调用。
2. IO执行阶段：内核执行IO操作并返回。

• 数据准备阶段：内核等待IO设备准备好数据
• 数据拷贝阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区

二、阻塞IO模型

阻塞I/O模型是最常见的IO模型，其流程图如下所示。

应用程序发起一个系统调用（recvform），这个时候应用程序会一直阻塞下去，直到内核把数据准备好，并将其从内核复制到用户空间，复制完成后返回成功提示，这个时候应用程序才会继续处理数据。

• 优点:模型简单，实现难度低，适用于并发量较小的应用开发。
• 缺点:IO调用阶段和IO执行阶段都会阻塞。

典型的阻塞I/0模型的例子为data=socket.read()，如果内核数据没有准备就绪，Socket线程就会一直阻塞在read()中等待内核数据就绪。

生活场景:某天，你跟你女朋友去奶茶店买奶茶，点完奶茶后后，由于你们不知道奶茶什么时候才能做好，所以你们就只能一直等着，其他什么事情也不能干。

三、非阻塞 IO模型

在非阻塞IO模型中，应用进程需要不断询问内核数据是否就绪，在内核数据还未就绪时，应用进程还可以做其他事情。

从上图可以看出， 非阻塞IO模型需要应用进程不断地主动询问内核数据是否已准备好了。

• 优点:模型简单，实现难度低;与阻塞IO模型对比，它在等待数据报的过程中，进程并没有阻塞，它可以做其他的事情。
• 缺点:轮询发送 recvform，消耗CPU 资源。

生活场景:你和你女朋友去奶茶店买奶茶，吸取了上一次的教训，点完奶茶后顺便去逛了逛商场。由于你们担心会错过取餐，所以你们就每隔一段时间就来问下服务员，你们的奶茶做好了没有，来来回回好多回，若干次后，终于问到奶茶已经准备好了，然后你们就开心的喝了起来。

四、IO复用模型

非阻塞IO模型需要进程不断地轮询发起recvform系统调用，就会有很多的线程不断调用recvfrom 请求数据，先不说服务器能不能扛得住这么多线程，就算扛得住那么很明显这种方式是不是太浪费资源了，线程是我们操作系统的宝贵资源，大量的线程用来去读取数据了，那么就意味着能做其它事情的线程就会少。

例如:你是奶茶店的服务员，每个人点好奶茶后，每隔几分钟就来问你一次好了没有，随着问的人越来越多，你可能会开始怀疑人生。那么有没有什么好的解决办法呢?

答案:不需要所有进程轮询来发起recvform来查询数据是否已经准备好了，而是有人帮忙来询问，这个帮忙的人就是select。

IO复用模型如下所示:

多个进程的IO注册到一个复用器（select）上，select 会监听所有注册进来的IO。如果内核的数据报没有准备好，调用select 的进程将会被阻塞，而当任一IO在内核缓冲区中有数据，select调用就会返回可读条件，然后进程再进行recvform系统调用，内核将数据拷贝到用户空间，注意这个过程是阻塞的。

注意:IO 复用模型在第一个阶段和第二个阶段其实都有阻塞，第一个阶段阻塞于 select 调用，第二个阶段阻塞于数据复制。

• 优点:适用于高并发应用程序。
• 缺点:模型复杂，实现、开发难度较大。

生活场景:如果每个人都过一会就来问一下奶茶好了没有，奶茶店的压力也太大了。于是奶茶店想到了一个办法，找一个中间人(select)挡在奶茶店前面，顾客(应用进程)询问那个中间人奶茶好了没有(对应多个进程的IO注册到一个复用器（select）上)，如果没有好就让顾客等待(应用进程阻塞于 select 调用)。中间人持续查看顾客的奶茶是否准备好，如果有一个人的奶茶准备好了就会去通知那个人可以取了(而当任一IO在内核缓冲区中有数据，select调用就会返回可读条件，然后进程再进行recvform系统调用)。

总结

学习IO模型时，必须要把每个模型联系起来看，比如阻塞IO模型会阻塞较长时间，而非阻塞IO在等待数据报的过程中，进程并没有阻塞，它可以做其他的事情。IO复用模型可以很好的降低服务器的压力，且在连接数众多且消息体不大的情况下有很大的优势。

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