UNIX下IO模型分析

对UNIX下的五种常见IO模型分析，帮助理解

IO操作的两个阶段

以读数据操作为例：
1. 等待内核数据准备（数据拷贝到内核缓冲区）
2. 将数据从内核拷贝到用户空间

IO模型

UNIX下共有五种常见的IO模型：

下面以recvfrom接口举例

阻塞IO

默认情况下，所有的套接字都是阻塞的

调用recvfrom接口，进程在IO操作的两个阶段都会阻塞，直到最终数据拷贝到用户空间或者过程中出现错误才会返回，进程在阻塞状态下是不占用CPU资源的

最常见的错误是发生系统中断，此时需要重读，可参考这里

非阻塞IO

可以通过fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)将套接字设置成非阻塞

调用recvfrom接口，无论内核缓冲区是否有可用数据，进程都会立即返回，所以在IO操作的第一阶段是非阻塞的; 若无数据可用，内核将errno设置为为EWOULDBLOCK或者EAGAIN，进程可以使用轮询的方法，保证内核在数据准备好时，能立即拷贝到用户空间; 若有则立即将数据拷贝到用户空间，进程在数据拷贝到用户空间即IO操作的第二阶段是阻塞的;

非阻塞IO过于消耗CPU时间，将大部分时间用于轮询

多路复用IO

多路复用系统调用：select,poll和epoll，其中windows平台不支持poll和epoll，使用方法可以参考I/O 多路复用之select、poll、epoll详解和Linux select/poll和epoll实现机制对比

调用select，等待内核数据准备，所以IO操作的第一个阶段，进程是阻塞的，不过是阻塞在多路复用系统调用上，而不是IO系统调用上; 当select返回套接字可读条件时，再调用recvfrom将数据从内核拷贝到用户空间，IO操作的第二阶段，进程是阻塞的

多路复用IO和阻塞IO，在IO操作的两个阶段都是阻塞的，不过多路复用IO使用了两个系统调用，而阻塞IO只使用了一个，所以在连接数不是很多的情况下，阻塞IO可能性能更佳; 多路复用IO的优势在于可以同时监控多个用于IO的文件描述符。

多线程中的阻塞IO，与多路复用IO极为相似

信号驱动IO

调用sigaction等系统调用安装信号处理函数，并立即返回，所以IO操作的第一阶段，进程是非阻塞的; 当内核数据准备好时，内核会产生一个信号，通知进程将数据从内核拷贝到用户空间，IO操作的第二阶段，进程是阻塞的

使用方法：IO的多路复用和信号驱动

异步IO

异步IO有一组以aio开头的系统调用，使用方法可参考Linux AIO机制

调用异步IO系统调用，给内核传递描述字、缓冲区指针、缓冲区大小（与read相同的三个参数）、文件偏移（与lseek类似），告诉内核当整个操作完成时如何通知我们，并立即返回，在IO操作的两个阶段，进程都不阻塞

总结

- 同步IO和异步IO的主要区别是将数据从内核拷贝到用户空间是否阻塞，前者会在将数据从内核拷贝到用户空间时即IO操作的第二个阶段发生阻塞，而后者则在系统调用后直接返回，直到内核发送信号通知IO操作完成，在IO操作的两个阶段都没有阻塞
- 阻塞IO和非阻塞IO的主要区别是系统调用是否立即返回（默认将数据从内核拷贝到用户空间即IO操作的第二个阶段是立即返回的），前者会在IO操作的两个阶段完成前一直阻塞，后者在内核没有准备好数据的情况下立即返回，即只会在IO操作的第二个阶段阻塞
- 信号驱动IO和异步IO的主要区别在于前者由内核通知我们何时启动一个IO操作，在将数据从内核拷贝到用户空间过程中即IO操作的第一个阶段依旧是阻塞的，而后者是由内核通知我们IO操作何时完成，在IO操作的两个阶段都没有阻塞

知乎上有一个比较生动的例子可以说明这几种模型之间的关系。

Reference

• UNIX网络编程 卷1：套接字联网API
• Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
• Linux下5种IO模型的小结
• UNIX网络编程读书笔记：I/O模型（阻塞、非阻塞、I/O复用、信号驱动、异步）
• IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇）
• Linux五种IO模型性能分析

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（编辑：李大同）

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