我们在进行网络编程时，必然涉及网络I/O，比较常见的两种网络I/O编程模式就是 同步阻塞I/O 和 同步非阻塞I/O 。 比如，传统的基于Socket的InputStrteam/OutputStream读写属于 同步阻塞I/O 。
事实上，Linux操作系统一共包含五种I/O模型，分别是：
- 同步阻塞 I/O（Blocking IO）：即传统的IO模型；
- 同步非阻塞 I/O（Nonblocking IO）：注意这里所说的NIO并非Java中的NIO库；
- I/O 多路复用（IO Multiplexing）：Java NIO和Linux中的epoll/select/poll都是这种模型；
- 信号驱动 I/O（Signal Driven IO）：实际中并不常用；
- 异步 I/O（Asynchronous IO）：经典的Proactor设计模式，也称为 异步非阻塞IO 。
本章，我将会对上述五种Linux IO模型进行讲解，作为后续Java NIO以及Netty原理剖析章节的基础。
一、基本概念
在讲网络I/O模型时，经常会提到 同步/异步 ， 阻塞/非阻塞 这两对概念。在这里，我有必要先对它们进行解释，便于读者理解后续内容。
在Linux系统中，每个进程有自己独立的缓冲区—— 进程缓冲区 ，而系统内核也有个缓冲区—— 内核缓冲区 。Linux/Unix系统在执行I/O请求时，会经历两个阶段：
-
第一个阶段： I/O 调用阶段 ，用户进程向内核发起系统调用。
-
第二个阶段： I/O 执行阶段 ，内核等待 I/O 请求处理完成返回，该阶段又可以分为两个过程：
- 数据准备： 从磁盘读取数据至内核缓存区（或从内核缓存区写出数据到磁盘）；
- 数据复制 ：内核空间的数据复制回进程缓存区。
下图以操作系统的write命令为例，数据会先被拷贝到进程缓冲区，再拷贝到OS内核缓冲区，最后才写到磁盘中：
1.1 同步/异步
同步和异步，指的是OS内核真正进行I/O的方式，OS内核从磁盘读取数据到内核缓存区（或从内核缓存区写出数据到磁盘）。
- 同步： 指OS内核进行I/O操作时，需要彻底完成后才返回到用户空间；
- 异步： 指OS内核进行I/O操作时，被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到I/O操作彻底完成。
1.2 阻塞/非阻塞
阻塞和非阻塞，指的是 用户进程 与 OS内核 的交互方式，用户进程会从内核缓存区读取数据（或写入数据到内核缓存区），这一过程涉及进程的挂起和唤醒。
- 阻塞： 指用户进程发起IO请求后，需要等待或轮询操作系统内核的IO操作完成后，才能继续执行；
- 非阻塞： 指用户进程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户进程（者调用用户进程注册的回调函数）。
二、Linux IO模型
接下来，我们来看Linux的五种IO模型。
2.1 同步阻塞IO（blocking IO）
阻塞IO模型是最简单的IO模型，下图以操作系统的read命令为例：
- 用户进程通过 read 命令发起I/O读系统调用；
- 用户空间切换到内核空间（ 此时调用进程挂起，阻塞等待，称之为阻塞 ）；
- 内核等待数据准备，即从磁盘->内核缓存区（ 此时称之为同步 ）；
- 内核接收完数据后，将数据从内核缓存区拷贝到进程缓存区中；
- 用户进程恢复，开始从进程缓存区读取数据。
特点：I/O操作的两个阶段都被Block了，用户进程被阻塞就不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。
2.2 同步非阻塞IO（nonblocking IO）
同步非阻塞IO，用户进程可以在发起IO请求后立即返回：
- 用户进程通过 read 命令发起I/O读操作；
- 用户空间切换到内核空间（ 此时调用进程立即返回，称之为非阻塞，然后不断轮询 ）；
- 内核等待数据准备，即从磁盘->内核缓存区（ 此时称之为同步 ）；
- 内核接收完数据后，将数据从内核缓存区拷贝到进程缓存区中；
- 用户进程轮询发现已经有数据了，开始从进程缓存区读取数据。
特点：用户线程没有挂起，而是不断地轮询，消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。
2.3 IO多路复用（IO multiplexing）
IO多路复用模型，是建立在OS内核提供的多路复用函数——select/poll/epoll（这三个命令都实现了IO多路复用功能，不过是出现早晚和细节功能有所差异）基础之上的，它的最大特点就是：单个线程可以同时监听多个数据通道，当任何一个数据通道发生IO事件时就通知线程。
在底层，多路复用函数，本质是一个线程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用：
以select命令为例：
- 用户进程调用select命令（调用时传入需要监听的通道集合），此时用户进程被阻塞；
- 内核会“监视”所有select负责的所有文件描述符集合；
- 当任一一个等待数据到达后，select会返回，用户进程恢复运行；
- 这时，用户进程可以调用read操作，将数据从内核缓存区拷贝到用户进程。
与多线程技术相比，IO多路复用技术的最大优势是系统开销小，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程 。
2.4 信号驱动 I/O（Signal Driven IO）
信号驱动 I/O 并不常用，它是一种半异步的 I/O 模型。在使用信号驱动 I/O 时，当数据准备就绪后，内核通过发送一个 SIGIO 信号通知应用进程，应用进程就可以开始读取数据了：
2.5 异步IO（asynchronous IO）
异步IO，其执行的两个阶段都是异步的：从内核缓冲区拷贝数据到用户态缓冲区的过程由OS异步完成，应用进程只需要在指定的数组中引用数据即可。异步 I/O 与信号驱动 I/O 这种半异步模式的主要区别，在于信号驱动 I/O 由内核通知何时可以开始一个 I/O 操作，而异步 I/O 由内核通知 I/O 操作何时已经完成。
- 用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事；
- 另一方面，操作系统开启独立的内核线程去处理真正的IO操作；
- 当等待数据到达后，内核负责读取数据，并写入用户进程缓冲区；
- 内核通知用户进程，告诉它可以去读数据了。
异步IO并不十分常用，不少高性能并发应用使用 IO多路复用+多线程处理 的架构，基本可以满足需求。目前操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的是采用IO多路复用+模拟异步IO的方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）。
三、总结
本章，我对Linux系统的IO模型进行了讲解，特别是对 同步/异步 和 阻塞/非阻塞 这两对容易混淆的概念进行了讲解。这两对概念本质上是对应了Linux系统继续IO读写的两个阶段， 同步/异步 用于描述内核空间中的磁盘读写， 阻塞/非阻塞 用于描述用户空间与内核空间的数据交换操作。
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