I/O模型浅析

I/O概念

众所周知，在 Linux 的世界中一切皆为文件，而文件的本质其实就是一串二进制流，不管是 socket 还是 FIFO、管道、终端等，对于Linux来说，一切都是文件、一切都是流。在信息交换过程中，我们对这些流进行收/发操作，这一过程简称为 I/O 操作（input and output）。

I/O模型

在了解了什么是 I/O 后，接下来介绍五种 I/O 模型：阻塞I/O(blocking I/O)、非阻塞I/O(non-blocking I/O)、多路复用I/O( I/O multiplexing )、信号驱动I/O(signal blocking I/O) 以及异步I/O(Asynchronous I/O)。

阻塞I/O

顾名思义，当进程在等待数据时，若该数据一直没有产生，则该进程将会一直等待，直到产生数据为止，这一过程中，进程的状态是阻塞的。
在 Linux 中，默认情况下所有的 socket 都是 blocking，一个典型的操作流程大概是这样的：

当用户态进程调用了 recvfrom 这个系统调用接收数据，内核（kernel）就开始了 I/O 的第一个阶段：准备数据。对于网络 I/O 来说，很多数据一开始还没有到达，这个时候内核就要等待足够的数据到达。
该用户态进程将一直在此等待，不会进行其他的操作，直到内核态准备好了数据后，将数据从内核态拷贝到用户态内存空间，然后 recvfrom 成功返回，用户进程才解除阻塞的状态，开始处理收到的数据。
所以，阻塞 I/O 的特点就是在 I/O 执行的两个阶段（等待数据和拷贝数据两个阶段）都被 block 了。

非阻塞I/O

在非阻塞I/O模型中，用户态进程等待内核的数据，当内核数据尚未准备好的时候，用户态进程将会不断的询问内核，直到内核准备好数据。

Linux下，可以通过设置 socket 使其变为non-blocking。
当用户态进程调用了 recvfrom 这个系统调用接收数据，当前内核并没有数据报文产生，此时 recvfrom 返回 EWOULDBLOCK，用户态进程会一直调用 recvfrom 询问内核，待内核准备好数据后，将数据从内核态拷贝到用户态内存空间，recvfrom 成功返回，用户态进程才开始处理收到的数据。

多路复用I/O

如果一个进程需要处理多种不同的消息，那么可能的做法是开启多条线程，每条线程接收处理一类消息，如果每条线程都采用阻塞 I/O 模型，那么也就是多线程中使用阻塞式 I/O。
对于上述的场景中，其实可以使用多路复用 I/O 模型处理，无需采用多线程监听消息的方式，这其中涉及到 select、poll、epoll 等不同的方法。

如上图所示，用户态进程采用 select 的方法，通过 select 可以等待多个不同类型的消息，如果其中有一个类型的消息准备好，则 select 会返回信息，然后用户态进程调用 recvfrom 接收数据。
select、poll、epoll 的区别和用法会单独开一篇文章来讲。

信号驱动I/O

在信号驱动式 I/O 模型中，与阻塞式和非阻塞式有了一个本质性的区别，那就是用户态不再等待内核态的数据准备好，就可以直接去做别的事了。

如上图所示，当需要等待数据的时候，首先用户态进程会向内核发送一个信号，告诉内核需要什么数据，然后用户态就可以去做别的事了。而当内核态数据准备好后，内核立刻发给用户态一个信号，告知数据已准备好，用户态进程收到后，立马调用 recvfrom，等数据从内核空间拷贝到用户内存空间，待完成之后，recvfrom 成功返回，用户态进程开始处理数据。