五种 I/O 模型：简介与比较

gaunthan Posted on Apr 23 2017

? I/O ? ? Server Development ?

## 概述
### 5种 I/O 模型简介
Unix 下有5种可用的I/O模型：

### 几种 I/O 模型的对比
下图比较了上述5种不同的 I/O 模型。可以看出，前4种模型的主要区别在于第一阶段，它们的第二阶段都是一样的：在数据从内核复制到调用者的缓冲区期间，进程阻塞于 `recvfrom` 调用。相反，异步 I/O 模型在这两个阶段都要处理，即进程无需阻塞在请求上和数据拷贝上，从而不同于其他4种模型：
![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a005678)

### 阻塞/非阻塞，同步/异步
I/O 模型可以根据**阻塞/非阻塞**，**同步/异步**进行分类。上面提到的5种模型中，前面4种都是同步 I/O 模型，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程。只有异步 I/O 模型与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配：不导致请求进程阻塞。

一个 I/O 操作其实分成了两个步骤：发起 I/O 请求和实际的 I/O 操作。 阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的区别在于第一步，发起 I/O 请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞 I/O ，如果不阻塞，那么就是非阻塞 I/O 。 同步 I/O 和异步 I/O 的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的 I/O 读写阻塞请求进程，那么就是同步 I/O 。

## 阻塞 I/O
**阻塞 I/O**(blocking I/O)模型是最流行的 I/O 模型，默认情况下，所有套接字和文件描述符就是阻塞的。阻塞 I/O 将使请求进程阻塞，直到请求完成或出错。

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a00567c)

阻塞 I/O 分两个阶段：

1. 等待数据就绪。例如套接字有数据到来，文件描述符可读。
2. 将数据从内核空间拷贝到用户空间。

## 非阻塞 I/O
**非阻塞 I/O**(nonblocking I/O)的含义是显而易见的：如果 I/O 操作会导致请求进程睡眠，则不要把它挂起，而是返回一个错误告诉它（这个错误可能是 EWOULDBLOCK 或者 EAGAIN）。

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a00567a)

相比于阻塞 I/O，非阻塞 I/O 的第一个阶段不会阻塞，相反是一直在对非阻塞描述符调用`read` 或 `recvfrom` 等操作。当一个应用进程像这样对一个非阻塞描述符调用 recvfrom 时，我们称之为**轮询**(polling)。

应用进程持续轮询内核，以查看某个操作是否就绪。这样做往往消费大量 CPU 时间，不过这种模型偶尔也会遇到。在嵌入式开发中，非阻塞 I/O 模型比较常见。比如在编写设备驱动的时候，常常会短暂地轮询设备状态寄存器，以等待设备就绪。

## I/O 多路复用
**[I/O 多路复用](http://gaunthan.leanote.com/post/%E6%9E%84%E9%80%A0%E5%B9%B6%E5%8F%91%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E7%9A%84%E6%96%B9%E6%B3%95#title-5)**(I/O multiplexing)会用到 select 或者 poll 函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数。

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a00567d)

I/O 多路复用模型使用了 Reactor 设计模式实现了这一机制。”nonblocking I/O + I/O multiplexing“模型就是 Reactor 模式。[^Reactor]

[^Reactor]:[Reactor - An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events](http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/PDF/Reactor.pdf)

## 信号驱动 I/O
**信号驱动 I/O**(signal-driver I/O)使用信号，让内核在描述符就绪时发送 SIGIO 信号通知我们进行处理。实际上这个处理是自动的，只不过我们可以指定这个处理函数：

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a005679)

这种方式要求进程执行以下3个步骤：

1. 建立 SIGIO 信号的信号处理函数。
2. 设置该套接字的属主，通常使用 `fcntl` 的 F_SETOWN 命令设置。
3. 开启套接字的信号驱动 I/O 功能，通常通过使用 `fcntl` 的 F_SETFL 命令打开 O_ASYNC 标志完成。也可以改用 `ioctl` 的 FIOASYNC 请求。

信号驱动 I/O 模型的优势在于等待数据到达期间进程不被阻塞，进程可以继续执行。相比于非阻塞 I/O，信号驱动 I/O 没有询轮带来的昂贵的 CPU 代价。

## 异步 I/O
**异步 I/O**(asynchronous I/O)由 POSIX 规范定义，包含一系列以 aio 开头的接口。一般地说，这些函数的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核空间拷贝到用户空间）完成后通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别是：信号驱动 I/O 是由内核通知我们何时可以启动一个 I/O 操作，而异步 I/O 模型是由内核通知我们 I/O 操作何时完成。

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=58fc576cab6441268a00567b)

异步 I/O 模型使用了 Proactor 设计模式实现了这一机制。[^Proactor]

[^Proactor]:[Proactor - An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handlers for Asynchronous Events](http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/PDF/proactor.pdf)

## References

- W. Richard Stevens, Bill Fenner, Andrew M. Rudoff. UNIX 网络编程 [M]. 人民邮电出版社, 2010.
- [Java I/O 模型的演进](http://www.importnew.com/21383.html)