异步通信在⽣活中的例⼦_5种IO模型、阻塞IO和⾮阻塞IO、
同步IO和异步IO
5种IO模型、阻塞IO和⾮阻塞IO、同步IO和异步IO
看了⼀些⽂章，发现有很多不同的理解，可能是因为⼤家⼊切的⾓度、环境不⼀样。所以，我们先说明基本的IO操作及环境。本⽂是在《UNIX⽹络编程 卷1：套接字联⽹API》6.2节"I/O 模型 "的基础上，即UNIX/LINUX环境下的⽹络 IO环境下的理解，它⾥⾯给出的例⼦是读取（接收）⽹络UDP数据。下⾯简单写写⾃⼰对这些IO模型的理解。
1、IO
IO (Input/Output，输⼊/输出)即数据的读取（接收）或写⼊（发送）操作，通常⽤户进程中的⼀个完整IO分为两阶段：⽤户进程空间<-->内核空间、内核空间<-->设备空间（磁盘、⽹络等）。IO有内存IO、⽹络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。
LINUX中进程⽆法直接操作I/O设备，其必须通过系统调⽤请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护⼀个缓冲区。
对于⼀个输⼊操作来说，进程IO系统调⽤后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备IO⼀般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。
所以，对于⼀个⽹络输⼊操作通常包括两个不同阶段：
（1）等待⽹络数据到达⽹卡→读取到内核缓冲区，数据准备好；
（2）从内核缓冲区复制数据到进程空间。
2、5种IO模型
《UNIX⽹络编程》说得很清楚，5种IO模型分别是阻塞IO模型、⾮阻塞IO模型、IO复⽤模型、信号驱动的IO模型、异步IO模型；前4种为同步IO操作，只有异步IO模型是异步IO操作。下⾯这样些图，是它⾥⾯给出的例⼦：接收⽹络UDP数据的流程在IO模型下的分析，在它的基础上再加以简单描述，以区分这些IO模型。
2-1、阻塞IO模型
进程发起IO系统调⽤后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。操作成功则进程获取到数据。
1、典型应⽤：阻塞socket、Java BIO；
2、特点：
进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作；
实现难度低、开发应⽤较容易；
适⽤并发量⼩的⽹络应⽤开发；
不适⽤并发量⼤的应⽤：因为⼀个请求IO会阻塞进程，所以，得为每请求分配⼀个处理进程（线程）以及时响应，系统开销⼤。
2-2、⾮阻塞IO模型
进程发起IO系统调⽤后，如果内核缓冲区没有数据，需要到IO设备中读取，进程返回⼀个错误⽽不会被阻塞；进程发起IO系统调⽤后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。
对于上⾯的阻塞IO模型来说，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回⼀个错误，以使得进程不被阻塞。
1、典型应⽤：socket是⾮阻塞的⽅式（设置为NONBLOCK）
2、特点：
进程轮询（重复）调⽤，消耗CPU的资源；
实现难度低、开发应⽤相对阻塞IO模式较难；
适⽤并发量较⼩、且不需要及时响应的⽹络应⽤开发；
2-3、IO复⽤模型
多个的进程的IO可以注册到⼀个复⽤器（select）上，然后⽤⼀个进程调⽤该select， select会监听所有注册进来的IO；
如果select没有监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据，select调⽤进程会被阻塞；⽽当任⼀IO在内核缓冲区中有可数据时，select调⽤就会返回；
⽽后select调⽤进程可以⾃⼰或通知另外的进程（注册进程）来再次发起读取IO，读取内核中准备好的数据。
可以看到，多个进程注册IO后，只有另⼀个select调⽤进程被阻塞。
1、典型应⽤：select、poll、epoll三种⽅案，nginx都可以选择使⽤这三个⽅案;Java NIO;
2、特点：
专⼀进程解决多个进程IO的阻塞问题，性能好；Reactor模式;
实现、开发应⽤难度较⼤；
适⽤⾼并发服务应⽤开发：⼀个进程（线程）响应多个请求；
3、select、poll、epoll
Linux中IO复⽤的实现⽅式主要有select、poll和epoll：
Select：注册IO、阻塞扫描，监听的IO最⼤连接数不能多于FD_SIZE；
Poll：原理和Select相似，没有数量限制，但IO数量⼤扫描线性性能下降；
Epoll ：事件驱动不阻塞，mmap实现内核与⽤户空间的消息传递，数量很⼤，Linux2.6后内核⽀持；
2-4、信号驱动IO模型
当进程发起⼀个IO操作，会向内核注册⼀个信号处理函数，然后进程返回不阻塞；当内核数据就绪时会发送⼀个信号给进程，进程便在信号处理函数中调⽤IO读取数据。
1、特点：回调机制，实现、开发应⽤难度⼤；
2-5、异步IO模型
当进程发起⼀个IO操作，进程返回（不阻塞），但也不能返回果结；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据。
1、典型应⽤：JAVA7 AIO、⾼性能服务器应⽤
2、特点：
不阻塞，数据⼀步到位；Proactor模式；
需要操作系统的底层⽀持，LINUX 2.5 版本内核⾸现，2.6 版本产品的内核标准特性；
实现、开发应⽤难度⼤；
⾮常适合⾼性能⾼并发应⽤；
3、IO模型⽐较
3-1、阻塞IO调⽤和⾮阻塞IO调⽤、阻塞IO模型和⾮阻塞IO模型
进程通信方式注意这⾥的阻塞IO调⽤和⾮阻塞IO调⽤不是指阻塞IO模型和⾮阻塞IO模型：
阻塞IO调⽤ ：在⽤户进程（线程）中调⽤执⾏的时候，进程会等待该IO操作，⽽使得其他操作⽆法执⾏。
⾮阻塞IO调⽤：在⽤户进程中调⽤执⾏的时候，⽆论成功与否，该IO操作会⽴即返回，之后进程可以进⾏其他操作（当然如果是读取到数据，⼀般就接着进⾏数据处理）。
这个直接理解就好，进程（线程）IO调⽤会不会阻塞进程⾃⼰。所以这⾥两个概念是相对调⽤进程本⾝状态来讲的。
从上⾯对⽐图⽚来说，阻塞IO模型是⼀个阻塞IO调⽤，⽽⾮阻塞IO模型是多个⾮阻塞IO调⽤+⼀个阻塞IO调⽤，因为多个IO检查会⽴即返回错误，不会阻塞进程。
⽽上⾯也说过了，⾮阻塞IO模型对于阻塞IO模型来说区别就是，内核数据没准备好需要进程阻塞的时候，就返回⼀个错误，以使得进程不被阻塞。
3-2、同步IO和异步IO
同步IO：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
异步IO：不导致请求进程阻塞。
上⾯两个定义是《UNIX⽹络编程 卷1：套接字联⽹API》给出的。这不是很好理解，我们来扩展⼀下，先说说同步和异步，同步和异步关注的是双⽅的消息通信机制：
同步：双⽅的动作是经过双⽅协调的，步调⼀致的。
异步：双⽅并不需要协调，都可以随意进⾏各⾃的操作。
这⾥我们的双⽅是指，⽤户进程和IO设备；明确同步和异步之后，我们在上⾯⽹络输⼊操作例⼦的基础上，进⾏扩展定义：
同步IO：⽤户进程发出IO调⽤，去获取IO设备数据，双⽅的数据要经过内核缓冲区同步，完全准备好后，再复制返回到⽤户进程。⽽复制返回到⽤户进程会导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
异步IO：⽤户进程发出IO调⽤，去获取IO设备数据，并不需要同步，内核直接复制到进程，整个过程不导致请求进程阻塞。
所以， 阻塞IO模型、⾮阻塞IO模型、IO复⽤模型、信号驱动的IO模型者为同步IO模型，只有异步IO模型是异步IO。
---------------------
作者：尐譽

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。