2024-03-25碼農

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轉自：一口Linux

1. 背景

最近在折騰網路編程，發現 IO 模型這塊比較模糊，翻了不少資料，這裏總結分享下。關鍵字：網路編程；IO模型

2. 前置知識一：內核態，使用者態

想要弄懂 IO 模型，有一批前置知識需要掌握，首先是內核態和使用者態的概念。作業系統為了保護自己，設計了使用者態、內核態兩個狀態。應用程式一般工作在使用者態，當呼叫一些底層操作的時候（比如 IO 操作），就需要切換到內核態才可以進行。使用者態和內核態的切換需要消耗一些資源，零拷貝技術就是透過減少使用者態和內核態的轉換來提高效能的。

3. 前置知識二：應用程式從網路中接收數據的大致流程

伺服器從網路接收的大致流程如下：

數據透過電腦網路來到了網卡
把網卡的數據讀取到 socket 緩沖區
把 socket 緩沖區讀取到使用者緩沖區，之後應用程式就可以使用了

核心就是兩次讀取操作，五大 IO 模型的不同之處也就在於這兩個讀取操作怎麽互動。

4. 前置知識三：理解同步/異步、阻塞/非阻塞

同步/異步：這個是套用層面的概念，指的是呼叫一個函式，我們是等這個函式執行完再繼續執行下一步，還是調完函式就繼續執行下一步，另起一個執行緒去執行所呼叫的函式。關註的是執行緒間的協作。阻塞/非阻塞，這個是硬體層面的概念，阻塞是指 cpu 「被」休息，處理其他行程去了，比如IO操作，而非阻塞則是 cpu 仍然會執行，不會切換到其他行程。關註的是CPU會不會「被」休息，表現在套用層面就是執行緒會不會「被」掛起。至於同步和阻塞有什麽區別，異步和非阻塞有什麽區別，其實這是不同層面的東西，不好相互比較的。在學習IO模型的過程中，千萬別鉆這個牛角尖。

5. 前置知識四：理解同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞

有很多 IO 模型的部落格，會把同步/異步、阻塞/非阻塞兩兩組合，把IO模型分成四類。

初看其實很納悶的，都異步了，還咋阻塞啊？

其實大可不必糾結這個，同步/異步、阻塞/非阻塞本身就是不同層面的東西，強行組合起來就是不好理解，甚至是錯誤的。

建議是拋開這個，直接去理解五大 IO 模型，千萬別鉆牛角尖。其實，真要分，也只能拆成兩個維度分，而不是四個維度。首先是按阻塞/非阻塞分：

然後是按同步/異步分：

6. 五大 IO 模型之：阻塞 IO

好了，如果掌握了前面提到的的這些前置知識，理解IO模型就稍微輕松點了，現在開始。

之前提了，應用程式從網路中接收數據的大致流程就是兩步：

數據準備：等待網路數據，把網卡的數據讀取到 socket 緩沖區
數據復制：把 socket 緩沖區的數據讀取到使用者態 Buffer，供應用程式使用

IO模型的不同之處也就在於這兩個操作怎麽互動，我們先看看阻塞IO模型

當應用程式發起 read 呼叫時，呼叫執行緒會阻塞住直到第一步讀取操作的完成。等第一步讀取操作完成後，會將數據讀取到使用者態 Buffer 中，這個過程中呼叫執行緒仍然是阻塞的，直到數據復制完成，整個流程用圖來表示就張這樣：

這種 IO 模型的好處就是好理解，API 簡單好上手，適用於連線數不多的網路套用。

7. 五大 IO 模型之：非阻塞 IO

當應用程式發起 read 呼叫時，如果沒有數據可讀，呼叫執行緒不會阻塞。但應用程式為了讀到數據，就會一直迴圈呼叫，直到有數據可讀。微信搜尋公眾號：架構師指南，回復：架構師領取資料。

等第一步讀取操作完成後，第二步就和阻塞IO一樣了。會將數據讀取到使用者態 Buffer 中，這個過程中呼叫執行緒仍然是阻塞的，直到數據復制完成，整個流程用圖來表示就張這樣：

這種 IO 模型的並沒有特別好處，而且會一直迴圈呼叫底層的介面，效能堪憂，很少使用。

8. 五大 IO 模型之：訊號驅動 IO

當應用程式發起 read 呼叫，註冊一個handler，等待有數據後的回呼。應用程式一旦被回呼，就說明數據已經可以讀取了，就會進行第二步操作，把數據讀取到使用者態 Buffer 中。同樣，第二步仍然是阻塞的。

這種 IO 模型的好處就是相比於非阻塞IO，使用通知&回呼機制減少了迴圈的開銷，但是對於連線數多的場景，可能會因為訊號佇列溢位導致沒法通知，用的不多。

9. 五大 IO 模型之：多路復用 IO

當應用程式發起 read 呼叫時，如果沒有數據可讀，呼叫執行緒不會阻塞，系統會把 socket 註冊到一個「多路復用器」上，等到有數據了會把可讀的socket加入佇列，供套用層使用。

大概的程式碼如下：

java復制程式碼while (true) { if (selector.select(READ_KEY) > 0) { // selector 就是多路復用器，READ_KEY 大於 1 說明有可讀的socket Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator(); while (keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if (key.isReadable()) { // 讀取數據 } } } }

這種 IO 模型的好處是能夠應對大量的連線，尤其適用於大量的短連線。現在大多數網路套用，底層采用的都是多路復用IO。

10. 五大 IO 模型之：異步 IO

異步IO 則和上面四種IO模型都不通，他是完完全全的異步，兩步操作都不會阻塞。應用程式發起 read 呼叫後，等收到回呼通知，就可以去使用使用者態 Buffer 的數據了，如下圖所示。

11. 打個比方

打個個人認為很貼切的比方，幫助理解。

大家都去醫院取過藥吧，五種IO模型就像是不同的取藥方式。

阻塞IO：排隊等藥，排到我了但是藥還沒準備好，那我也繼續等著，別人也不能取。這種我沒好，別人也落不著好的方式，就是阻塞IO的體現。

非阻塞IO：排隊等藥，排到我了但是藥還沒準備好，那我重新排吧。重新排隊就是輪詢，因為重新排了也沒有阻塞別人取消，就是非阻塞IO的體現。

訊號驅動IO：不用排隊等藥，藥準備好了就直接簡訊通知你去取。簡訊通知就相當於訊號驅動了，因為不用排隊，節省了不少時間。

多路復用IO：這個就是日常中常見的那種取藥方式了，付了錢後要去藥房的機器上掃碼，然後盯著顯視器，上面顯示了你的名字，再去取藥。在機器上掃碼就相當於註冊，顯示了你的名字就相當於有需要處理的IO事件了。現實中顯示了我的名字，我還是要去排隊，這也是對應上的，因為一個 selector 返回的是多個需要處理的IO時間，一個個處理就相當於一個個排隊取藥。

異步IO：這個就很賽博龐克了，異步IO就像是不用排隊，不用取藥，藥好了直接寄你家，完全異步。

12. 可能會產生的疑問：

12.1 Java 的 nio 是對多路復用IO模型的實作，為什麽叫非阻塞？

首先 Java 的 nio 包可以用來實作多路復用IO模型，也可以用來實作非阻塞IO模型，只不過非阻塞IO模型效能差沒人用而已。其次，nio 中的那個「n」是 new 的意思。當時 JDK 的開發者為了和老的io包做區分，才用nio 來表示的，並不是 nonblocking 的「n」，所以叫「新IO包」更準確，也不容易弄混。