前言

大家好，我是程序員田螺。今天我們一起來學習IO模型。在本文開始前呢，先問問大家幾個問題哈~

什么是IO呢？什么是阻塞非阻塞IO？什么是同步異步IO？什么是IO多路復用？select/epoll跟IO模型有什么關系？有幾種經典IO模型呢？BIO、NIO、AIO到底有什么區別的？

如果這些問題，你都能很好答上的話，那恭喜你，你對IO的掌握已經很棒啦！那你跟田螺哥一起看完這篇文章，再復習一下，加深印象吧~如果你對這些問題模棱兩可的話，那也沒關系，看完這篇文章，就理解啦！

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什么是IO呢？

IO，英文全稱是Input/Output，翻譯過來就是輸入/輸出。平時我們聽得挺多，就是什么磁盤IO，網絡IO。那IO到底是什么呢？是不是有種懵懵懂懂的感覺呀，好像大概知道它是什么，又好像說不清楚。

IO，即輸入/輸出，到底誰是輸入？誰是輸出呢？IO如果脫離了主體，就會讓人疑惑。

計算機角度的IO

我們常說的輸入輸出，比較直觀的意思就是計算機的輸入輸出，計算機就是主體。大家是否還記得，大學學計算機組成原理的時候，有個馮.諾依曼結構，它將計算機分成分為5個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。

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輸入設備是向計算機輸入數據和信息的設備，鍵盤，鼠標都屬于輸入設備；輸出設備是計算機硬件系統的終端設備，用于接收計算機數據的輸出顯示，一般顯示器、打印機屬于輸出設備。

例如你在鼠標鍵盤敲幾下，它就會把你的指令數據，傳給主機，主機通過運算后，把返回的數據信息，輸出到顯示器。

鼠標、顯示器這只是直觀表面的輸入輸出，回到計算機架構來說，涉及計算機核心與其他設備間數據遷移的過程，就是IO。如磁盤IO，就是從磁盤讀取數據到內存，這算一次輸入，對應的，將內存中的數據寫入磁盤，就算輸出。這就是IO的本質。

操作系統的IO

我們要將內存中的數據寫入到磁盤的話，主體會是什么呢？主體可能是一個應用程序，比如一個Java進程（假設網絡傳來二進制流，一個Java進程可以把它寫入到磁盤）。

操作系統負責計算機的資源管理和進程的調度。我們電腦上跑著的應用程序，其實是需要經過操作系統，才能做一些特殊操作，如磁盤文件讀寫、內存的讀寫等等。因為這些都是比較危險的操作，不可以由應用程序亂來，只能交給底層操作系統來。也就是說，你的應用程序要把數據寫入磁盤，只能通過調用操作系統開放出來的API來操作。

• 什么是用戶空間？什么是內核空間?
• 以32位操作系統為例，它為每一個進程都分配了4G(2的32次方)的內存空間。這4G可訪問的內存空間分為二部分，一部分是用戶空間，一部分是內核空間。內核空間是操作系統內核訪問的區域，是受保護的內存空間，而用戶空間是用戶應用程序訪問的內存區域。

我們應用程序是跑在用戶空間的，它不存在實質的IO過程，真正的IO是在操作系統執行的。即應用程序的IO操作分為兩種動作：IO調用和IO執行。IO調用是由進程（應用程序的運行態）發起，而IO執行是操作系統內核的工作。此時所說的IO是應用程序對操作系統IO功能的一次觸發，即IO調用。

操作系統的一次IO過程

應用程序發起的一次IO操作包含兩個階段：

• IO調用：應用程序進程向操作系統內核發起調用。
• IO執行：操作系統內核完成IO操作。

操作系統內核完成IO操作還包括兩個過程：

• 準備數據階段：內核等待I/O設備準備好數據
• 拷貝數據階段：將數據從內核緩沖區拷貝到用戶進程緩沖區

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其實IO就是把進程的內部數據轉移到外部設備，或者把外部設備的數據遷移到進程內部。外部設備一般指硬盤、socket通訊的網卡。一個完整的IO過程包括以下幾個步驟：

• 應用程序進程向操作系統發起IO調用請求
• 操作系統準備數據，把IO外部設備的數據，加載到內核緩沖區
• 操作系統拷貝數據，即將內核緩沖區的數據，拷貝到用戶進程緩沖區

阻塞IO模型

我們已經知道IO是什么啦，那什么是阻塞IO呢？

假設應用程序的進程發起IO調用，但是如果內核的數據還沒準備好的話，那應用程序進程就一直在阻塞等待，一直等到內核數據準備好了，從內核拷貝到用戶空間，才返回成功提示，此次IO操作，稱之為阻塞IO。

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• 阻塞IO比較經典的應用就是阻塞socket、Java BIO。
• 阻塞IO的缺點就是：如果內核數據一直沒準備好，那用戶進程將一直阻塞，浪費性能，可以使用非阻塞IO優化。

非阻塞IO模型

如果內核數據還沒準備好，可以先返回錯誤信息給用戶進程，讓它不需要等待，而是通過輪詢的方式再來請求。這就是非阻塞IO，流程圖如下：

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非阻塞IO的流程如下：

• 應用進程向操作系統內核，發起recvfrom讀取數據。
• 操作系統內核數據沒有準備好，立即返回EWOULDBLOCK錯誤碼。
• 應用程序進程輪詢調用，繼續向操作系統內核發起recvfrom讀取數據。
• 操作系統內核數據準備好了，從內核緩沖區拷貝到用戶空間。
• 完成調用，返回成功提示。

非阻塞IO模型，簡稱NIO，Non-Blocking IO。它相對于阻塞IO，雖然大幅提升了性能，但是它依然存在性能問題，即頻繁的輪詢，導致頻繁的系統調用，同樣會消耗大量的CPU資源。可以考慮IO復用模型，去解決這個問題。

IO多路復用模型

既然NIO無效的輪詢會導致CPU資源消耗，我們等到內核數據準備好了，主動通知應用進程再去進行系統調用，那不就好了嘛？

在這之前，我們先來復習下，什么是文件描述符fd(File Descriptor),它是計算機科學中的一個術語，形式上是一個非負整數。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。

IO復用模型核心思路：系統給我們提供一類函數（如我們耳濡目染的select、poll、epoll函數），它們可以同時監控多個fd的操作，任何一個返回內核數據就緒，應用進程再發起recvfrom系統調用。

IO多路復用之select

應用進程通過調用select函數，可以同時監控多個fd，在select函數監控的fd中，只要有任何一個數據狀態準備就緒了，select函數就會返回可讀狀態，這時應用進程再發起recvfrom請求去讀取數據。

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非阻塞IO模型（NIO）中，需要N（N>=1）次輪詢系統調用，然而借助select的IO多路復用模型，只需要發起一次詢問就夠了,大大優化了性能。

但是呢，select有幾個缺點：

• 監聽的IO最大連接數有限，在Linux系統上一般為1024。
• select函數返回后，是通過遍歷fdset，找到就緒的描述符fd。（僅知道有I/O事件發生，卻不知是哪幾個流，所以遍歷所有流）

因為存在連接數限制，所以后來又提出了poll。與select相比，poll解決了連接數限制問題。但是呢，select和poll一樣，還是需要通過遍歷文件描述符來獲取已經就緒的socket。如果同時連接的大量客戶端，在一時刻可能只有極少處于就緒狀態，伴隨著監視的描述符數量的增長，效率也會線性下降。

因此經典的多路復用模型epoll誕生。

IO多路復用之epoll

為了解決select/poll存在的問題，多路復用模型epoll誕生，它采用事件驅動來實現，流程圖如下：

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epoll先通過epoll_ctl()來注冊一個fd（文件描述符），一旦基于某個fd就緒時，內核會采用回調機制，迅速激活這個fd，當進程調用epoll_wait()時便得到通知。這里去掉了遍歷文件描述符的坑爹操作，而是采用監聽事件回調的機制。這就是epoll的亮點。

我們一起來總結一下select、poll、epoll的區別

epoll明顯優化了IO的執行效率，但在進程調用epoll_wait()時，仍然可能被阻塞。能不能醬紫：不用我老是去問你數據是否準備就緒，等我發出請求后，你數據準備好了通知我就行了，這就誕生了信號驅動IO模型。

IO模型之信號驅動模型

信號驅動IO不再用主動詢問的方式去確認數據是否就緒，而是向內核發送一個信號（調用sigaction的時候建立一個SIGIO的信號），然后應用用戶進程可以去做別的事，不用阻塞。當內核數據準備好后，再通過SIGIO信號通知應用進程，數據準備好后的可讀狀態。應用用戶進程收到信號之后，立即調用recvfrom，去讀取數據。

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信號驅動IO模型，在應用進程發出信號后，是立即返回的，不會阻塞進程。它已經有異步操作的感覺了。但是你細看上面的流程圖，發現數據復制到應用緩沖的時候，應用進程還是阻塞的。回過頭來看下，不管是BIO，還是NIO，還是信號驅動，在數據從內核復制到應用緩沖的時候，都是阻塞的。還有沒有優化方案呢？AIO（真正的異步IO）！

IO 模型之異步IO(AIO)

前面講的BIO，NIO和信號驅動，在數據從內核復制到應用緩沖的時候，都是阻塞的，因此都不算是真正的異步。AIO實現了IO全流程的非阻塞，就是應用進程發出系統調用后，是立即返回的，但是立即返回的不是處理結果，而是表示提交成功類似的意思。等內核數據準備好，將數據拷貝到用戶進程緩沖區，發送信號通知用戶進程IO操作執行完畢。

流程如下：

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異步IO的優化思路很簡單，只需要向內核發送一次請求，就可以完成數據狀態詢問和數據拷貝的所有操作，并且不用阻塞等待結果。日常開發中，有類似思想的業務場景：

比如發起一筆批量轉賬，但是批量轉賬處理比較耗時，這時候后端可以先告知前端轉賬提交成功，等到結果處理完，再通知前端結果即可。

阻塞、非阻塞、同步、異步IO劃分

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一個通俗例子讀懂BIO、NIO、AIO

• 同步阻塞(blocking-IO)簡稱BIO
• 同步非阻塞(non-blocking-IO)簡稱NIO
• 異步非阻塞(asynchronous-non-blocking-IO)簡稱AIO

一個經典生活的例子：

• 小明去吃同仁四季的椰子雞，就這樣在那里排隊，等了一小時，然后才開始吃火鍋。(BIO)
• 小紅也去同仁四季的椰子雞，她一看要等挺久的，于是去逛會商場，每次逛一下，就跑回來看看，是不是輪到她了。于是最后她既購了物，又吃上椰子雞了。（NIO）
• 小華一樣，去吃椰子雞，由于他是高級會員，所以店長說，你去商場隨便逛會吧，等下有位置，我立馬打電話給你。于是小華不用干巴巴坐著等，也不用每過一會兒就跑回來看有沒有等到，最后也吃上了美味的椰子雞（AIO）