前言

这一块看的冰河老师的文章，做个复习。

一. IO的基础概念

首先来说下什么是IO：涉及计算机核心与其他设备间数据迁移的过程，就是IO。 例如磁盘IO：

• 输入：从磁盘中读取数据到内存。
• 输出：将内存中的数据写入磁盘。

而操作系统发起一次IO操作一般会包含两个阶段：

1. IO调用：应用程序进程向操作系统内核发起调用。
2. IO执行：操作系统内核完成IO操作。

其中，IO执行阶段又分为两个阶段：

1. 准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据。
2. 拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区。

如图：

二. IO模型

IO模型主要有五种类型：

2.1 阻塞式IO（BIO）

应用程序进程发起IO调用，但是内核数据还没准备好。因此应用进程一直阻塞等待，直到内核数据准备好。

缺点：如果内核数据一直没准备好，那用户进程将一直阻塞，浪费性能。

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2.2 非阻塞式IO（NIO)

鉴于阻塞式IO的缺点，在其基础上，倘若内核数据还没准备好，非阻塞式IO会先将错误信息返回给用户进程，让其无需等待，再通过轮询的方式来请求。优点：相对于阻塞式IO，用户可以无需等待，不会因为内核数据没准备好而进入阻塞状态。
缺点：频繁的轮询，导致频繁的进行系统调用，消耗大量的CPU资源。

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2.3 IO多路复用（BIO）

既然频繁的轮询导致CPU消耗很大。那就让内核数据准备好的时候，主动通知应用程序进行系统调用即可。也就是IO多路复用。

概念：文件描述符（File Descriptor）

文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

IO复用模型核心思路：系统给我们提供一类函数，它们可以同时监控多个fd的操作，任何一个返回内核数据就绪，应用进程再发起系统调用。 注意，这里依旧是需要应用进程去发起系统调用的。

IO多路复用的方式有三种：select、poll、epoll。

2.3.1 select

应用进程可以通过select函数，来同时监控多个fd，在select函数监控fd的过程中，只要任何一个数据状态准备就绪了。select就会返回可读状态，这时候应用进程就会发起请求读取内核数据。 如图：

缺点如下：

1. 监听的IO最大连接数有上限。
2. select函数返回后，是通过遍历fd集合，找到就绪的描述符fd。（即遍历所有的流）

2.3.2 poll

鉴于select方式的缺点，就提出了poll。与前者相比，poll解决了连接数量限制的问题。但是poll还是需要通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。

2.3.3 epoll

那么为了解决select和poll存在的问题，就有了IO多路复用（epoll）模型，采用事件驱动来实现：

看起来和select的流程图没啥区别，这里加点文字描述：

1. epoll首先通过epoll_ctl()函数来注册一个文件描述符。
2. 一旦基于某个fd就绪时，内核会采用回调机制，迅速激活这个fd。
3. 当进程调用epoll_wait()时便得到通知。通过采用监听事件回调的机制来避免遍历所有的文字描述符。

虽然IO多路复用这种方式对于非阻塞式IO，不需要进行频繁的调用，而是通过回调的方式来进行。但是当进程调用epoll_wait()时，仍然可能被阻塞。

重要的事情说三遍，多路复用IO它依旧是：同步阻塞的！同步阻塞的！同步阻塞的！

因此从设计上希望有这么个功能（这里我觉得应该这么理解会更好）：

1. 多路复用IO，虽然可以指定对应的IO流。避免遍历所有的IO。
2. 虽然是通过回调的方式来获取结果的，但是这个等待结果的这个过程，是需要阻塞去等待的。
3. 因此设计上希望用户进程可以无需等待，先去做别的事情。等回调结果有了，我再去感应即可。

随之而来的也就是信号驱动IO模型。

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2.4 信号驱动IO（NIO）

在多路复用的基础上。向内核发送一个信号。此时应用进程不用阻塞，可以去做其他事情。当内核数据准备好后，再通过SIGIO信号通知应用进程。进程一旦获取到信号，就立即调用获取内核数据。如图：

当然，这里数据状态询问流程是异步的没错，但是数据复制部分，依旧是同步阻塞的，也因此这整个信号驱动IO的流程并不是异步的。

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2.5 异步IO（AIO）

只需要向内核发送一次请求，就可以完成数据状态询问和数据拷贝的所有操作，并且不用阻塞等待结果。

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这里解释下BIO、NIO、AIO：

• 同步阻塞(blocking-IO)简称BIO。
• 同步非阻塞(non-blocking-IO)简称NIO。
• 异步非阻塞(asynchronous-non-blocking-IO)简称AIO。

三. 总结

3.1 select、poll、epoll三者区别☆

3.2 五种IO模型

阻塞，非阻塞的概念区分：可以简单理解为需要做一件事能不能立即得到返回应答,如果不能立即获得返回,需要等待,那就阻塞。 更倾向于是否立即应答。

同步，异步的概念区分：你总是做完一件再去做另一件,不管是否需要时间等待,这就是同步。否则就是异步。 更倾向于是否可以并行做两件事。

那回过头再看上面的表格：

非阻塞式IO方面的解释：

• 非阻塞：因为用户进程能够立刻获得结果（可能是最终用户想要的数据，也可能是错误信息）。
• 同步：因为数据复制阶段总是在数据询问阶段完成后执行。

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IO多路复用方面的解释：

• 阻塞：用户进程需要等待回调结果的返回。这一过程是阻塞的。
• 同步：因为数据复制阶段总是在数据询问阶段完成后执行。

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信号驱动IO方面的解释：

• 非阻塞：用户进程在数据询问阶段就能够立即获得返回。
• 同步：需要等待内核发送信号，表示fd找到了。让用户进程得到fd，再由用户进程发起请求进行数据拷贝。

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异步IO方面的解释：

• 非阻塞：用户也可以立刻获得结果。
• 异步：整个数据的等待和拷贝操作都交给操作系统来完成，并不是用户，用户无需阻塞等待。

最终可以发现，针对这五种IO模型，关于异步和同步的区别无非就是：

• 同步：数据等待和拷贝过程分为两个阶段，由应用进程发起。需要发起两次。
• 异步：数据等待和拷贝操作都交给操作系统完成。应用进程发起一次请求即可。