五种常见IO模型

缺乏、安全感 2024-05-23 18:33 88阅读 0赞

### ? 前言 ###

? 大家好，我是[周周][Link 1]，目前就职于国内短视频某厂的BUG攻城狮一枚。

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#### 文章目录 ####

*   *  ? 前言
     *  1 概述
     *   *  ? 1.1 什么是 IO
         *  ? 1.2 什么是缓冲区
         *  ? 1.3 阻塞和非阻塞
         *  ? 1.4 同步和异步
     *  2 五种 IO 模型
     *   *  ? 2.1 同步阻塞 IO
         *  ? 2.2 同步非阻塞 IO
         *  ? 2.3 IO 多路复用
         *  ? 2.4 异步 IO
         *  ? 2.5 信号驱动 IO

### 1 概述 ###

服务端高并发 IO 编程往往要求的性能都非常高，一般情况下需要选用高性能的 IO 模型，比如我们日常使用的 Redis 就采用了 IO 多路复用以提高自身性能。本文将从操作系统、网络、Java 等多个方面聊聊几种常见的 IO 模型。

#### ? 1.1 什么是 IO ####

IO 全程 Input/Output，即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，针对不同的数据存储媒介，大致可以分为网络 IO 和磁盘 IO 两种。

而在 Linux 系统中，为了保证系统安全，操作系统将虚拟内存划分为**内核空间**和**用户空间**两部分。因此用户进程无法直接操作IO设备资源，需要通过系统调用完成对应的IO操作。

即此时一个完整的 IO 操作将经历一下两个阶段：`用户空间 <-> 内核空间 <-> 设备空间`。

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#### ? 1.2 什么是缓冲区 ####

应用层的 IO 操作基本都是依赖操作系统提供的 read 和 write 两大系统调用实现。但由于计算机外部设备（磁盘、网络）与内存、CPU 的读写速度相差过大，若直接读写涉及操作系统中断，因此为了减少 OS 频繁中断导致的性能损耗和提高吞吐量，引入了**缓冲区**的概念。

根据内存空间的不同，又可分为**内核缓冲区**和**进程缓冲区**。

操作系统会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行 IO 设备的中断处理，集中执行物理设备的实际 IO 操作，通过这种机制来提升系统的性能。至于具体什么时候执行系统中断（包括读中断、写中断）则由操作系统的内核来决定，应用程序不需要关心。

#### ? 1.3 阻塞和非阻塞 ####

**阻塞 IO**指的是需要内核 IO 操作彻底完成后才返回到用户空间执行用户程序的操作指令。

**非阻塞 IO（Non-Blocking IO，NIO）** 指的是用户进程不需要等待内核 IO 操作彻底完成，即可返回用户空间执行后续指令。与此同时，内核会立即返回给用户一个 IO 状态值。

阻塞是指用户进程一直在等待，而不能做别的事情；非阻塞是指用户进程获得内核返回的状态值就返回自己的空间，可以去做别的事情。

#### ? 1.4 同步和异步 ####

**同步 IO**是指用户空间（进程或者线程）是主动发起 IO 请求的一方，系统内核是被动接收方。

**异步 IO**则反过来，系统内核是主动发起 IO 请求的一方，用户空间是被动接收方。

同步和异步最大的区别就是被调用方的执行方式和返回时机。同步指的是被调用方做完事情之后再返回，异步指的是被调用方先返回，然后再做事情，做完之后再想办法通知调用方（此时数据已 ready，调用方可以直接使用）。

**阻塞和非阻塞关注的是调用方进程状态，而同步与异步更关注调用双方进程通信方式。**

### 2 五种 IO 模型 ###

#### ? 2.1 同步阻塞 IO ####

**同步阻塞IO（Blocking IO）** 指的是用户进程（或线程）主动发起，需要等待内核 IO 操作彻底完成后才返回到用户空间的 IO 操作。在 IO 操作过程中，发起 IO 请求的用户进程处于阻塞状态。

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#### ? 2.2 同步非阻塞 IO ####

**同步非阻塞IO（Non-Blocking IO，NIO）** 指的是用户进程主动发起，不需要等待内核 IO 操作彻底完成就能立即返回用户空间的 IO 操作。在 IO 操作过程中，发起 IO 请求的用户进程处于非阻塞状态。

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1）当数据 Ready 之后，用户线程仍然会进入阻塞状态，直到数据复制完成，并不是绝对的非阻塞。

2）NIO 实时性好，内核态数据没有 Ready 会立即返回，但频繁的轮询内核，会占用大量的 CPU 资源，降低效率。

#### ? 2.3 IO 多路复用 ####

**IO 多路复用（IO Multiplexing）** 实际上就解决了 NIO 中的频繁轮询 CPU 的问题，并且引入一种新的 select 系统调用。

复用 IO 的基本思路就是通过 slect 调用来监控多 fd（文件描述符），来达到不必为每个 fd 创建一个对应的监控线程的目的，从而减少线程资源创建的开销。一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核就能够将文件描述符的就绪状态返回给用户进程（或者线程），用户空间可以根据文件描述符的就绪状态进行相应的 IO 系统调用。

IO 多路复用（IO Multiplexing）属于一种经典的 Reactor 模式实现，有时也称为**异步阻塞 IO**。

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#### ? 2.4 异步 IO ####

**异步IO（Asynchronous IO，AIO）** 指的是用户空间的线程变成被动接收者，而内核空间成为主动调用者。在异步 IO 模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕并放在用户缓冲区内，内核在 IO 完成后通知用户线程直接使用即可。而此处说的 AIO 通常是一种**异步非阻塞 IO**。

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#### ? 2.5 信号驱动 IO ####

当进程发起一个 IO 操作，会向内核注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用 IO 读取数据。

信号驱动 IO 不同于 AIO 的是依旧存在阻塞状态，即用户进程获取到数据就绪信号后阻塞进行 IO 操作。  
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