第五章 Linux的I/O原理

5.1 什么是I/O

I/O 是 Input/Output 的缩写，指操作系统中的输入输出操作，从网络中获取或者发送数据也属于 I/O 操作的一种。我们以网络数据为例看一下整个 I/O 的流程：

我们从图中可以看到，其实整个过程分为两步：
①：内核等待网络数据；
②：用户进程将数据从内核缓冲区中读取出来。

大家一定要记住这两个过程，这是后面分析 I/O 模型时候的基础。

5.2 I/O模型

在 Linux 中，分了五种 I/O 模型，如下图所示：

1、阻塞 I/O

用户进程调用 recvfrom 函数获取数据，这个时候如果内核没有数据，那么用户进程会一直阻塞在等待数据阶段，直到数据准备好之后，将数据从内核缓冲区中拷贝到用户缓冲区中。在等待数据的时候，因为用户进程是阻塞的，所以不能做其他的事情。

这就好比你去餐厅吃饭，你一直在后厨等着，直到你的饭菜做好之后才去饭桌吃饭。在等待的期间，你什么事情都不能干。

2、非阻塞 I/O

用户进程通过 recvfrom 从内核获取数据的时候，如果内核的数据没有准备好，用户进程就直接返回，去干别的事情，过一会儿重新调用 recvfrom，直到内核数据准备好。

还是以餐厅就餐为例：
我： 服务员，你好，请问我点的餐好了吗？
服务员： 先生，您的餐还没有准备好，请稍等。
… 五分钟后…
我： 服务员，你好，请问我点的餐好了吗？
服务员： 先生，您的餐马上就好
… 五分钟后…
我： 服务员，你好，请问我点的餐好了吗？
服务员： 先生，您的餐已经做好了，现在就给您取过来。

每次我问完服务员之后，如果餐尚未做好，我就可以干其他的事情了，比如看会手机，抽支烟，等过几分钟再问一次，直到餐品做好为止。

3、I/O 多路复用

这里还是以餐厅的场景为例，大家想一下我们平时去餐厅，每个餐厅的服务员数量和顾客数量哪个更多呢？

答案是显而易见的，肯定是顾客数量多啊。那么这是为啥呢，为什么不为每一个顾客安排一位服务员呢？因为给每一位顾客分配一位服务员的人工成本太高了。

餐厅老板：有请那么多服务员的钱我买两斤排骨它不香吗？

当然，还有一个原因就是：在某一个时间段内，并不是所有的顾客都需要服务员，只是部分顾客才需要，所以我们并不需要为每一个顾客安排一个服务员。

在操作系统中也有同样的机制，同时监控很多个 I/O 操作，当一个 I/O 的数据准备好之后，就进行数据的拷贝。

我们对比一下 I/O 多路复用和餐厅的例子：

epoll 函数就相当于服务员；

一个 I/O 操作就相当于一个顾客；

每个服务员服务很多个顾客，对应于一个 epoll 监控多个 I/O 操作；

如果同时有多个顾客有需求，就对应于同时有多个 I/O 的数据准备好了，这时候服务员要逐个的帮助顾客解决问题，同样的，操作系统也是逐个的处理每个 I/O。

讲到这里，大家应该就明白什么是 I/O 多路复用了吧，其实就是同时监控多个 I/O 操作。

Nginx 就是使用了 I/O 多路复用，所以能够达到非常高的并发量。

其实计算机中的很多功能都是从生活中抽象出来的，我们通过类比生活中的经验，可以很容易的理解计算机

4、异步 I/O

我们仍然以餐厅的场景为例来说明异步 I/O 的过程。

服务员告诉我还要再等一会儿，因为我的餐品还没有完成。这一次呢，我给服务员留了一个电话，当餐备齐之后，让他给我打电话。这个中间呢，我可以出去干其他事情，不用一直在后厨等，也不用时不时的去问一下，这就是异步过程。

我们看一下上面这张图：当应用进程使用 AIO 函数从内核获取数据，这个时候内核中的数据还没有准备好，但是 AIO 直接返回了，剩下的工作全部由内核进行完成。在这个过程中，应用进程可以做自己的事情。

5、信号驱动

Tips：这个形式的 I/O 很少使用，在这里我就不多赘述了，大家不必过多关注。