五大网络IO模型

落日映苍穹つ 2024-03-17 11:31 72阅读 0赞

## 网络IO模型 ##

### 1. IO是什么？ ###

**I/O**（英语：**I**nput/**O**utput），即**输入／输出**，通常指[数据][Link 1]在[存储器][Link 2]（内部和外部）或其他周边设备之间的输入和输出，是信息处理系统（例如[电脑][Link 3]）与外部世界（可能是人类或另一信息处理系统）之间的通信。

**输入是系统接收的信号或数据，输出则是从其发送的信号或数据**。该术语也可以用作行动的一部分；到“执行I/O”是执行输入或输出的操作。

输入/出设备是硬件中由人（或其他系统）使用与电脑进行通信的部件。例如，键盘或鼠标是电脑的输入设备，而监控器和打印机是输出设备。电脑之间的通信设备（如电信调制解调器和网卡）通常执行输入和输出操作。

*将设备指定为输入或输出取决于视角*。鼠标和键盘截取人类用户的肢体动作，并将其转换为电脑可解的输入信号；这些设备的输出是电脑的输入。同样，打印机和监控器则用于将电脑处理的过程和结果输出，并将这些信号转换为人类用户能理解的呈现。从用户的角度来看，阅读或查看这些呈现的过程则是接受输入；人机交互主要是在研究了解机器与人类之间这种过程的交互接口。

在现代电脑体系结构中 CPU 可以使用单独的指令直接读取或写入，被认为是电脑的核心。而 CPU 和主存储器的组合，任何信息传入或传出 CPU /内存组合，例如通过从磁盘驱动器读取数据，就会被认为是 I/O；CPU 及其电路版提供用于低端编程的存储器映射 I/O，例如在设备驱动程序的实现中，或者提供对 I/O 通道的访问。一个 I/O 算法设计是利用内存，而且高效地进行与辅助存储设备交换数据时，如一个磁盘驱动器。

### 2. socket是什么？ ###

**网络套接字**（英语：Network socket；又译**网络套接字**、**网络接口**、**网络插槽**）在[计算机科学][Link 4]中是电脑网络中[进程间][Link 5]资料流的端点。使用以[网际协议][Link 6]（Internet Protocol）为通信基础的网络套接字，称为**网际套接字**（Internet socket）。因为网际协议的流行，现代绝大多数的网络套接字，都是属于网际套接字。

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**一次完整的网络通信会经过多层的传输，需要经过物理传输层的网线和网卡，网络传输层的IP协议，经过这两层之后网络数据通过Ip地址可以知道传输到那台计算机了，传输到目标计算机后，操作系统内核通过网卡读取网络数据，将网络数据存储在内存中。计算机中会运行不同的网络程序，他们可能对应于系统中的不同进程，那要如何把网卡中的网络数据识别出来是给哪个进程的，要如何持续和稳定地给到对应的应用进程呢？我想这也就是socket设计的目的和想要解决的问题了，提供一些API接口来实现应用层通过操作系统内核读取网卡数据，并且将网络数据正确地分发到对应的应用层程序。**

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### 3. 名词解释 ###

#### 3.1. 同步与异步（线程间调用） ####

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`同步与异步是对应于调用者与被调用者，它们是线程之间的关系，两个线程之间要么是同步的，要么是异步的 同步操作时，调用者需要等待被调用者返回结果，才会进行下一步操作 而异步则相反，调用者不需要等待被调用者返回调用，即可进行下一步操作，被调用者通常依靠事件、回调等机制来通知调用者结果`

#### 3.2.阻塞与非阻塞（线程内调用） ####

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`阻塞与非阻塞是对同一个线程来说的，在某个时刻，线程要么处于阻塞，要么处于非阻塞 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态： 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。`

### 4. 阻塞式IO模型 ###

阻塞式I/O（Input/Output）模型是一种传统的I/O处理模型，它在进行I/O操作时会阻塞程序的执行，直到I/O操作完成才会继续执行后续的代码。在阻塞式I/O模型中，当一个I/O操作发起时，程序会一直等待，直到数据从I/O设备读取完毕或数据成功写入到I/O设备。

在阻塞式I/O模型中，当程序发起一个I/O请求，操作系统会将程序阻塞，并将控制权交给内核去处理I/O操作。当I/O操作完成后，内核会通知程序，并将控制权返回给程序继续执行后续的代码。这种模型下，程序在等待I/O操作完成期间是无法做其他的事情的，因为它被阻塞住了。

阻塞式I/O模型的一个主要缺点是，当一个I/O操作阻塞时，整个程序都会停止响应，无法同时处理其他的任务或请求。这在需要同时处理多个并发请求的情况下会导致性能瓶颈。如果一个I/O操作非常耗时，那么其他的请求将会被阻塞，程序的整体性能也会下降。

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### 5. 非阻塞式IO模型 ###

非阻塞式I/O（Input/Output）模型是一种改进的I/O处理模型，它在进行I/O操作时不会阻塞程序的执行，而是立即返回并允许程序继续执行后续的代码。在非阻塞式I/O模型中，当程序发起一个I/O请求后，它可以继续执行其他任务而无需等待I/O操作完成。

在非阻塞式I/O模型中，当程序发起一个非阻塞的I/O请求，操作系统会立即返回一个结果，表示该I/O操作是否完成。如果操作完成，程序可以获取到相应的数据；如果操作未完成，则可以继续执行其他任务或轮询该I/O操作的状态，以确定何时完成。

非阻塞式I/O模型通常与循环轮询结合使用。程序会不断地查询（轮询）I/O操作的状态，直到操作完成为止。这种轮询的方式可以通过使用非阻塞I/O操作和辅助函数（如`select`、`poll`或`epoll`等）来实现。

非阻塞式I/O模型的优点是可以在等待I/O操作完成的同时，继续处理其他任务，提高了程序的并发性和性能。然而，由于需要不断轮询I/O操作的状态，这可能会导致CPU资源的浪费。

需要注意的是，非阻塞式I/O模型仍然是同步I/O操作，因为程序需要主动轮询以确定I/O操作是否完成。与之相对的是异步I/O模型，异步I/O模型中的I/O操作完成后会通过回调或事件通知的方式来通知程序，而无需程序主动轮询。

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### 6. IO多路复用 ###

I/O多路复用（I/O Multiplexing）是一种高效的I/O处理模型，用于同时监控多个I/O操作的状态并进行处理。它可以在一个线程中同时管理多个I/O通道，而无需为每个通道创建一个独立的线程。

在I/O多路复用模型中，通过使用特定的系统调用（如`select`、`poll`、`epoll`等）来监听多个I/O通道的事件。这些系统调用可以监视多个文件描述符（sockets、pipes等）上的读写事件，并在有事件发生时通知程序进行相应的处理。

I/O多路复用模型的基本思想是将多个I/O操作合并为一个I/O操作，然后通过系统调用进行等待，以避免阻塞线程。当任何一个I/O通道有数据可读或可写时，系统会通知程序进行相应的读取或写入操作。

使用I/O多路复用模型的主要优点是可以在单个线程中同时处理多个I/O通道，从而提高了系统的并发性能。相对于阻塞式I/O或非阻塞式I/O模型，它减少了线程的创建和上下文切换的开销。

常见的I/O多路复用系统调用有：

1.  `select`：在一组文件描述符上进行I/O事件的等待，支持的文件描述符数量有限。
2.  `poll`：与`select`类似，但没有文件描述符数量的限制。
3.  `epoll`：在Linux系统上提供的可扩展I/O事件通知机制，支持更高的并发连接数，并且效率较高。

使用I/O多路复用模型时，程序通常需要配合非阻塞式I/O操作，以避免单个I/O操作的阻塞影响其他操作。同时，需要注意合理设置I/O通道的读写缓冲区，以避免数据拷贝带来的性能损耗。

总之，I/O多路复用模型是一种高效的I/O处理模型，适用于需要同时处理多个I/O通道的场景，提高了系统的并发性能和可扩展性。

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### 7. 信号驱动IO ###

信号驱动I/O（Signal-driven I/O）是一种I/O处理模型，通过使用信号来通知程序当一个I/O操作已经完成或有数据可读取。与传统的阻塞式I/O或非阻塞式I/O模型不同，信号驱动I/O模型允许程序在进行I/O操作时继续执行其他任务，而无需等待或轮询。

在信号驱动I/O模型中，程序首先通过系统调用（如`sigaction`）来注册一个信号处理函数，用于处理与I/O操作相关的信号。然后，程序发起一个异步的I/O操作，并继续执行其他任务。当I/O操作完成时，操作系统会发送一个信号（如`SIGIO`）给程序，程序在信号处理函数中得以知晓该I/O操作已经完成，然后可以进行数据读取或相应的处理操作。

信号驱动I/O模型的优点是可以异步地进行I/O操作，而无需阻塞程序或进行轮询，从而提高了程序的并发性能和响应性。它在某些情况下可以替代多线程或多进程模型，减少了上下文切换和线程/进程创建的开销。

需要注意的是，信号驱动I/O模型对于支持信号驱动的I/O设备和操作系统的支持是必要的。不是所有的I/O设备和操作系统都能完全支持信号驱动I/O模型。在实际应用中，需要仔细考虑和评估使用信号驱动I/O模型的可行性和适用性。

总结而言，信号驱动I/O模型通过使用信号来通知程序I/O操作的完成，允许程序在进行I/O操作时继续执行其他任务，提高了并发性能和响应性。然而，其适用性受到设备和操作系统的限制。

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### 8. 异步IO模型 ###

异步I/O（Asynchronous I/O）模型是一种高级的I/O处理模型，与阻塞式I/O、非阻塞式I/O和信号驱动I/O模型有所不同。在异步I/O模型中，当一个I/O操作发起后，程序可以继续执行其他任务而无需等待该I/O操作完成。当I/O操作完成时，程序会得到通知，并可以处理已完成的操作。

在异步I/O模型中，程序发起一个异步的I/O请求，并指定一个回调函数或事件处理程序。然后，程序可以继续执行其他任务，而无需等待I/O操作完成。当I/O操作完成时，操作系统会通知程序，并调用预先指定的回调函数来处理已完成的操作。通过回调函数，程序可以获取到操作的结果或数据，并进行相应的处理。

异步I/O模型的优点是可以实现真正的并发操作，不需要主动轮询或阻塞线程等待I/O操作完成。相对于其他模型，它可以更高效地处理大量的并发I/O操作，提高系统的吞吐量和性能。

在实际应用中，异步I/O模型通常需要使用特定的异步I/O机制或库来实现，例如Windows系统上的IOCP（Input/Output Completion Ports）和Unix-like系统上的AIO（Asynchronous I/O）。这些机制提供了异步I/O操作的支持，并管理I/O操作的状态、回调处理和资源管理等。

需要注意的是，异步I/O模型的编程模式相对于其他模型更加复杂，需要合理设计和管理回调函数、事件处理程序以及可能的并发访问。但在需要处理大量并发I/O操作或具有高性能要求的应用中，异步I/O模型可以是一种有效的选择。

总结而言，异步I/O模型允许程序在发起I/O操作后继续执行其他任务，并通过回调函数或事件处理程序来处理已完成的操作。它可以实现真正的并发操作，提高系统的并发性能和吞吐量。然而，相对于其他模型，它的编程模式更加复杂。

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### 9. 模型对比 ###

下面是阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O多路复用、信号驱动I/O和异步I/O这五个I/O模型的对比：

阻塞式I/O：

*  当一个I/O操作发起时，程序会阻塞等待操作完成。
 *  阻塞式I/O是传统的I/O模型，适用于简单的应用场景。
 *  当有多个并发请求时，性能较差，因为每个请求都需要等待I/O操作完成。

非阻塞式I/O：

*  当一个I/O操作发起后，程序可以继续执行其他任务，而无需等待操作完成。
 *  需要通过轮询或者选择性地进行非阻塞I/O操作的状态查询。
 *  提高了并发性能，但仍然需要不断轮询I/O操作的状态。

I/O多路复用：

*  通过系统调用（如`select`、`poll`、`epoll`）在多个I/O通道上监听事件。
 *  可以同时处理多个I/O通道，避免了阻塞和轮询的开销。
 *  提高了并发性能和响应性，适用于大量并发连接的场景。

信号驱动I/O：

*  使用信号来通知程序I/O操作的完成或数据的可读取。
 *  可以异步进行I/O操作，不需要阻塞或轮询。
 *  提高了并发性能和响应性，但需要设备和操作系统的支持。

异步I/O：

*  发起异步I/O请求后，程序可以继续执行其他任务，通过回调函数处理操作完成的通知。
 *  真正的并发操作，不需要阻塞、轮询或信号等待。
 *  需要特定的异步I/O机制或库的支持，编程模式相对复杂。

综合比较，阻塞式I/O模型简单但性能较差，非阻塞式I/O模型通过非阻塞操作提高了性能，I/O多路复用模型可以同时处理多个I/O通道，信号驱动I/O模型可以异步进行I/O操作，而异步I/O模型可以实现真正的并发操作。选择适当的模型取决于应用需求、并发量和性能要求等因素。

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注： 本篇文章参考了UNIX网络编程卷1：套接字API.pdf一书，参考了jovan大哥哥的文章，以及个人的见解，文中有错误的地方，希望大家可以指出，希望大家可以见谅。

[Link 1]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fzh.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25E6%2595%25B0%25E6%258D%25AE
[Link 2]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fzh.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25E5%25AD%2598%25E5%2582%25A8%25E5%2599%25A8
[Link 3]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fzh.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25E7%2594%25B5%25E5%25AD%2590%25E8%25AE%25A1%25E7%25AE%2597%25E6%259C%25BA
[Link 4]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fzh.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25E8%25A8%2588%25E7%25AE%2597%25E6%25A9%259F%25E7%25A7%2591%25E5%25AD%25B8
[Link 5]: https://link.juejin.cn?target=https%3A%2F%2Fzh.wikipedia.org%2Fwiki%2F%25E8%25A1%258C%25E7%25A8%258B%25E9%2596%2593%25E9%2580%259A%25E8%25A8%258A
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