前言

本文讲述了五种IO模型包括：
阻塞IO
非阻塞IO
IO多路复用
信号驱动IO
异步IO

说到IO模型，都会牵扯到同步、异步、阻塞、非阻塞这几个词。从词的表面上看，很多人都觉得很容易理解。但是细细一想，却总会发现有点摸不着头脑。自己也曾被这几个词弄的迷迷糊糊的，每次看相关资料弄明白了，然后很快又给搞混了。经历过这么几次之后，发现这东西必须得有所总结提炼才不至于再次混为一谈。尤其是最近看到好几篇讲这个的文章，很多都有谬误，很容易把本来就搞不清楚的人弄的更加迷糊。

最适合IO模型的例子应该是咱们平常生活中的去餐馆吃饭这个场景，下文就结合这个来讲解一下经典的几个IO模型。在此之前，先需要说明以下几点：
应用程序发起的一次IO操作包含两个阶段：
准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好
数据拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区

上图看不懂也没事，接下来简单易懂的讲解

搞懂IO模型的前提-简化流程

我们首先要知道一条数据是如何发送的；
举个例子，当应用A向应用B 发送一条数据，简单的流程有三步如下：
1. 应用A把数据发送到 TCP发送缓冲区。
2. TCP发送缓冲区再把数据发送出去，经过网络传递后，数据会发送到应用B所在的服务器的TCP接收缓冲区。
3. 应用B再从TCP接收缓冲区去读取属于自己的数据。

有个问题：
在上图中TCP接收缓冲区还没有接收到属于应用B的数据时，那么此时应用B向TCP接收缓冲区发起读取申请，TCP接收缓冲区是应该立即告诉应用B 现在没有你的数据，还是说让应用B在这里等着，直到有数据了再把数据交给应用B。

阻塞IO

去餐馆吃饭，点一个自己最爱吃的盖浇饭，然后在原地等着一直到盖浇饭做好，自己端到餐桌就餐。这就是典型的同步阻塞。当厨师给你做饭的时候，你需要一直在那里等着。
阻塞IO就是当应用B发起读取数据申请时，在内核数据没有准备好之前，应用B会一直处于等待数据状态，直到内核把数据准备好了交给应用B才结束。
流程：
1. 应用进程向内核发起recvfrom（就是一个方法）读取数据
2. 准备数据报（应用进程阻塞）
3. 将数据从内核负责到应用空间
4. 复制完成后，返回成功提示

非阻塞IO

接着上面的例子，你每次点完饭就在那里等着，突然有一天你发现自己真傻。于是，你点完之后，就回桌子那里坐着，然后估计差不多了，就问老板饭好了没，如果好了就去端，没好的话就等一会再去问，依次循环直到饭做好。这就是同步非阻塞。
所谓非阻塞IO就是当应用B发起读取数据申请时，如果内核数据没有准备好会立即告诉应用B，不会让B在这里等待。
流程：
1. 应用进程向内核发起recvfrom读取数据
2. 没有数据报准备好，即刻返回EWOULDBLOCK错误码
3. 应用进程继续向内核发起recvfrom读取数据
4. 已有数据包准备好就进行一下 步骤，否则还是返回错误码，然后继续读取，直到有数据
5. 将数据从内核拷贝到用户空间
6. 完成后，返回成功提示

IO复用模型

接着上面的列子，你点一份饭然后循环的去问好没好显然有点得不偿失，还不如就等在那里直到准备好，但是当你点了好几样饭菜的时候，你每次都去问一下所有饭菜的状态(未做好/已做好)肯定比你每次阻塞在那里等着好多了。当然，你问的时候是需要阻塞的，一直到有准备好的饭菜或者你等的不耐烦(超时)。
接下来我们继续了解IO复用模型的产生原因和思路。

思考一个问题：
我们想一想应用B从TCP缓冲区中读取数据，如果在并发的环境下，可能会N个人向应用B发送消息，这种情况下我们的应用就必须创建多个线程去读取数据，每个线程都会自己调用recvfrom 去读取数据。那么此时情况可能如下图：

如上图一样，并发情况下服务器很可能一瞬间会收到几十上百万的请求，这种情况下应用B就需要创建几十上百万的线程去读取数据，同时又因为应用线程是不知道什么时候会有数据读取，为了保证消息能及时读取到，那么这些线程自己必须不断的向内核发送recvfrom 请求来读取数据；

那么问题来了，这么多的线程不断调用recvfrom 请求数据，很明显这种方式是不是太浪费资源了，线程是我们操作系统的宝贵资源，大量的线程用来去读取数据了，那么就意味着能做其它事情的线程就会少。
所以，有人就提出了一个思路，能不能由一个线程监控多个网络请求（我们后面将称为fd文件描述符，linux系统把所有网络请求以一个fd来标识），这样就可以只需要一个或几个线程就可以完成询问数据是否准备好的操作，当有数据准备就绪之后再分配对应的线程去读取数据，这么做就可以节省出大量的线程资源出来，这个就是IO复用模型的思路。

正如上图，IO复用模型的思路就是系统提供了一种函数可以同时监控多个fd的操作，这个函数就是我们常说到的select、poll、epoll函数，有了这个函数后，应用线程通过调用select函数就可以同时监控多个fd，select函数监控的fd中只要有任何一个数据准备就绪了，select函数就会返回可读状态，这时询问线程再去通知处理数据的线程，对应线程此时再发起recvfrom请求去读取数据。

总结：复用IO的基本思路就是通过slect或poll、epoll 来监控多fd ，来达到不必为每个fd创建一个对应的监控线程，从而减少线程资源创建的目的。
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信号驱动IO模型

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上文的就餐方式还是需要你每次都去问一下饭菜状况。于是，你再次不耐烦了，就跟老板说，哪个饭菜好了就通知我一声吧。然后就自己坐在桌子那里干自己的事情。更甚者，你可以把手机号留给老板，自己出门，等饭菜好了直接发条短信给你。这就类似信号驱动的IO模型。

复用IO模型解决了一个线程可以监控多个fd的问题，但是select是采用轮询的方式来监控多个fd的，通过不断的轮询fd的可读状态来知道是否就可读的数据，但是大部分情况下的轮询都是无效的，所以有人就想，能不能不要我总是去问你是否数据准备就绪，能不能我发出请求后等你数据准备好了就通知我，所以就衍生了信号驱动IO模型。

信号驱动IO不是用循环请求询问的方式去监控数据就绪状态，而是在调用sigaction（这就是一个信号处理函数）时候建立一个SIGIO的信号联系，当内核数据准备好之后再通过SIGIO信号通知线程数据准备好后的可读状态，当线程收到可读状态的信号后，此时再向内核发起recvfrom读取数据的请求，因为信号驱动IO的模型下应用线程在发出信号监控后即可返回，不会阻塞，所以这样的方式下，一个应用线程也可以同时监控多个fd。

类似于下图描述：

总结： IO复用模型里面的select虽然可以监控多个fd了，但select其实现的本质上还是通过不断的轮询fd来监控数据状态， 因为大部分轮询请求其实都是无效的，所以信号驱动IO意在通过这种建立信号关联的方式，实现了发出请求后只需要等待数据就绪的通知即可，这样就可以避免大量无效的数据状态轮询操作。

异步IO模型

之前的就餐方式，到最后总是需要你自己去把饭菜端到餐桌。这下你也不耐烦了，于是就告诉老板，能不能饭好了直接端到你的面前或者送到你的家里(外卖)。这就是异步非阻塞IO了。

通过观察我们发现，不管是IO复用还是信号驱动，我们要读取一个数据总是要发起两阶段的请求，第一次发送select请求，询问数据状态是否准备好，第二次发送recevform请求读取数据。
思考一个问题：
也许你一开始就有一个疑问，为什么我们明明是想读取数据，什么非得要先发起一个select询问数据状态的请求，然后再发起真正的读取数据请求,能不能有一种一劳永逸的方式，我只要发送一个请求我告诉内核我要读取数据，然后我就什么都不管了，然后内核去帮我去完成剩下的所有事情？

当然既然你想得出来，那么就会有人做得到，有人设计了一种方案，应用只需要向内核发送一个read 请求,告诉内核它要读取数据后即刻返回；内核收到请求后会建立一个信号联系，当数据准备就绪，内核会主动把数据从内核复制到用户空间，等所有操作都完成之后，内核会发起一个通知告诉应用，我们称这种一劳永逸的模式为异步IO模型。

对比信号驱动IO，异步IO的主要区别在于：信号驱动由内核告诉我们何时可以开始一个IO操作(数据在内核缓冲区中)，而异步IO则由内核通知IO操作何时已经完成(数据已经在用户空间中)。
总结：异步IO的优化思路是解决了应用程序需要先后发送询问请求、发送接收数据请求两个阶段的模式，在异步IO的模式下，只需要向内核发送一次请求就可以完成状态询问和数拷贝的所有操作。

总结

IO模型里面的同步阻塞IO、同步非阻塞IO、异步IO

所谓阻塞就是发起读取数据请求的时，当数据还没准备就绪的时候，这时请求是立即返回，还是在这里等待数据的就绪，如果需要等待的话就是阻塞，反之如果即刻返回就是非阻塞。

我们区分了阻塞和非阻塞后再来看下同步和异步，在IO模型里面如果请求方从发起请求到数据最后完成的这一段过程中都需要自己参与，那么这种我们称为同步请求；反之，如果应用发送完指令后就不再参与过程了，只需要等待最终完成结果的通知，那么这就属于异步。

我们再看同步阻塞、同步非阻塞，他们不同的只是发起读取请求的时候一个请求阻塞，一个请求不阻塞，但是相同的是，他们都需要应用自己监控整个数据完成的过程。而为什么只有异步非阻塞 而没有异步阻塞呢，因为异步模型下请求指定发送完后就即刻返回了，没有任何后续流程了，所以它注定不会阻塞，所以也就只会有异步非阻塞模型了。