一顿饭的事儿，搞懂了Linux5种IO模型

一时失言乱红尘 2024-03-22 14:16 43阅读 0赞

大家好，我是老三，人生有三大难题，事业、爱情，和

——这顿吃什么！

人在家中躺，肚子饿得响，又到了不得不吃的时候，这顿饭该怎么吃？吃什么呢？

Linux里有五种IO模型：`阻塞IO`、`非阻塞IO`、`多路复用IO`、`信号驱动式IO`和`异步IO`，我发现这五种IO模型，其实能和吃饭这件事关联起来。

### 阻塞IO（Blocking I/O） ###

阻塞IO是最常见的IO模型。

当发起一个IO操作时，比如读取数据，系统会调用read()函数。如果请求的数据没有准备好，此时进程会被挂起（blocked），进入等待状态。直到数据准备好，而且复制到应用进程的缓冲区，这时候才会返回。

从调用到返回，整个时间段都是阻塞的，所以被称为阻塞IO。

![阻塞IO][IO]

就像是手机没电的时候，去饭馆吃饭，我点完菜，只能等着厨师做好，服务员端上来，我才能愉快干饭。这段时间，我就只能坐在座位上干等。

### 非阻塞IO（Non-Blocking I/O） ###

阻塞IO，还是比较浪费资源的，那么非阻塞IO就来了。

所谓非阻塞IO，是在调用IO操作时，如果缓冲区没有数据的话，直接返回一个错误码。应用进程需要不断轮询，来检查数据是否准备好。数据准备好了，就返回数据。

![非阻塞IO][IO 1]

就像是我奢侈一把，想吃个西餐，于是就去了肯德基，点完餐，我就可以坐着刷刷手机。当然，我还需要时不时地看看我的餐是不是已经备好，餐备好了，就去取一下。

### 多路复用IO（I/O Multiplexing） ###

虽然非阻塞IO相比阻塞IO，性能提升了很多，但是轮询过程中，还是有大量的系统调用，上下文切换的开销比较大。

那么，多路复用IO就来了。

多路指的是多个数据通道，复用指的是一个进程可以同时监控多个文件描述符（比如socket），当某个文件描述符状态发生变化（比如变得可读或可写），多路复用的函数将返回变化的文件描述符。

这样，在数据传输过程中，同一个进程中不同的任务都能被处理。特点是在数据传输过程中，进程能够同时处理多个任务，提高了程序的效率。

select、poll、epoll 等都是 I/O 多路复用的具体实现。

以select/poll为例，进程通过将一个或多个fd传递给select或poll系统调用，阻塞在select操作上，这样select/poll可以侦测多个fd是否处于就绪状态。当有fd就绪时，立即回调函数rollback，接下来就可以进行读取。

![多路复用IO][IO 2]

就像是我想吃顿好的，于是选择去吃自助餐，自助餐有很多餐区，我先看看哪个餐区有我想吃的菜，然后端着盘子去取就行了，一个人就可以取多个菜，肉、蔬菜、水果，什么都能吃一点，而且不用怎么等。

### 信号驱动式IO（Signal-Driven I/O） ###

信号驱动式IO利用信号机制来进行数据传输。

进程首先告诉内核，当数据准备好时，请发送一个SIGIO信号。进程继续执行其他任务，等到收到信号后，再开始进行数据传输。

![信号驱动IO][IO 3]

就像是我去吃饭，外带，跟服务员打声招呼，餐好了通知我，这时候我就可以去干其它事情，餐备好之后，服务员通知我，我取餐就行了。

### 异步IO（Asynchronous I/O） ###

异步IO是指当发起一个IO操作后，系统会立即返回。异步IO操作在后台进行数据传输，数据传输完成后，系统将通知进程。这样，在整个数据传输的过程中，进程都可以执行其他任务，不需要等待。

![异步IO][IO 4]

就像是准备吃饭了，我自己懒得动，直接在某团上点个餐，点完之后爱干啥干啥，等着快递小哥给我送到就行了。

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可以看到，`阻塞`和`非阻塞`主要指的是等待数据这个过程应用进程需不需要挂起，`同步`和`异步`指的是等待数据和数据拷贝这两个过程应用进程需不需要挂起，只有异步IO做到了完全异步。

那么最后一个问题，我到底吃了啥？——

搞点腊肉，煮了个面条，真香！

![腊肉][b96f817e1df746c4a93e972acf228f8e.png]

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**参考：**

\[1\].《Netty权威指南》

\[2\]. 《Netty核心原理与RPC实践》

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[IO 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/7620f3f2bb0545b492539855ae2f7aad.png
[IO 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/70e61ce6501c4de79b3a05409f0d6702.png
[IO 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/4803db91ba454674af286484c0c4025c.png
[IO 4]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/a5d59be237f243a78283ff3a235fb1c4.png
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