以下内容摘自: 五大 IO 模型

用户空间和内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器, 那么对 32 为操作系统而言,它的寻址空间 (虚拟寻址空间) 为 4G. 操作系统的内核独立于普通的应用程序, 它可以访问受保护的内存空间, 也有访问底层硬件设备的所有权限. 为了保证 kernel 的安全让用户进程不能直接访问内核空间, 操作系统将虚拟空间划分为两部分, 一部分为内核空间, 一部分为用户空间. 针对 Linux 操作系统而言, 将最高的 1G 字节 (从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF) 供内核使用, 称为内核空间, 将较低的 3G 字节 (从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF) 供各个进程使用, 称为用户空间

进程切换

为了控制进程执行, 内核必须有能力挂起正在 cpu 上运行的进程, 并恢复以前挂起的某个进程的执行. 这种行为被称为进程切换. 因此可以说任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的, 是与内核紧密相关的

从一个进程的运行到另一个进程上运行, 这个过程经过下面这些变化

  1. 保存处理机上下文, 包括程序计数器和其他寄存器

  2. 更新 PCB (进程管理块) 信息

  3. 把进程的 PCB 移入相应的队列, 如就绪, 在某时间阻塞等队列

  4. 选择另一个进程执行, 并更新其 PCB

  5. 恢复处理上下文

进程的阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。 简单点说就是等别人完成事务后你才能继续你的工作

文件描述符 fd

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于 UNIX、Linux 这样的操作系统

缓存 I/O

缓冲区及操作是所有I/O的基础，进程执行I/O操作，归结起来就是向操作系统发出请求，让它要么把缓冲区里的数据排干（写），要么把缓冲区填满（读）。如下图

io buffer

缓存 I/O 的缺点: 数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作(先将数据准备到内核空间，再将数据拷贝到用户空间)，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的

I/O 模型

对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

根据这两个阶段，有下面 5 种 I/O 模型:

  • 阻塞 I/O（blocking IO）

  • 非阻塞 I/O（nonblocking IO）

  • I/O 多路复用（ IO multiplexing）

  • 信号驱动 I/O（ signal driven IO）

  • 异步 I/O（asynchronous IO)

阻塞 I/O

blocking i/o

当用户进程调用了 recvfrom 这个系统调用，kernel 就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据（对于网络 IO 来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP 包。这个时候 kernel 就要等待足够的数据到来，磁盘 I/O 的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 中拷贝到用户内存 (出于系统安全, 用户态的程序没有权限直接读取内核态内存, 因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中)，然后 kernel 返回结果，用户进程才解除 block 的状态，重新运行起来

所以，blocking IO 的特点就是在 IO 执行的两个阶段都被 block 了

非阻塞 I/O

socket 设置为 NONBLOCK（非阻塞）就是告诉内核，当所请求的 I/O 操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误码(EWOULDBLOCK) ，这样请求就不会阻塞

noblocking i/o

当用户进程发出 read 操作时，如果 kernel 中的数据还没有准备好，那么它并不会 block 用户进程，而是立刻返回一个 error。从用户进程角度讲，它发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。一旦 kernel 中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的 system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回

I/O 操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。整个 I/O 请求的过程中，虽然用户线程每次发起 I/O 请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的 CPU 的资源.

所以，nonblocking IO 的特点是等待数据阶段没阻塞 (但是用户进程需要不断的主动询问 kernel 数据好了没有)。在数据拷贝阶段，用户进程还是阻塞的

一般很少直接使用这种模型，而是在其他 I/O 模型中使用非阻塞 I/O 这一特性。这种方式对单个 I/O请求意义不大,但给 I/O 多路复用铺平了道路

I/O 多路复用

I/O 多路复用会用到 select 或者 poll/epoll 函数，这三个个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，这三个个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数

multiplexing i/o

从流程上来看，使用 select 函数进行 I/O 请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视 socket，以及调用 select 函数的额外操作，效率更差。但是，使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 I/O 请求。用户可以注册多个 socket，然后不断地调用 select 读取被激活的 socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个 I/O 请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。其实多路复用是同步非阻塞模型的 Reactor 模式的实现

多路复用 IO 在 IO 执行的两个阶段也都阻塞了

信号驱动 I/O

首先我们允许 socket 进行信号驱动 I/O, 并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据

signal driven i/o

信号驱动 IO 在准备数据阶段没有阻塞, 在数据拷贝阶段阻塞了

异步 I/O

asynchronous i/o

用户进程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从 kernel 的角度，当它受到一个 asynchronous read 之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何 block。然后，kernel 会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel 会给用户进程发送一个 signal，告诉它 read 操作完成了

总结

  • BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高 (服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善), 并发局限于应用中，但程序直观简单易理解。

  • NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂

  • AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂