【Linux网络】五种IO模型与阻塞IO

IO

在Linux网络环境里，IO（Input/Output）指的是网络数据在系统与外部网络（像其他设备、服务器或者客户端）之间进行传输的过程。

它是网络编程和系统性能优化的核心内容。

IO ：INPUT和OUTPUT（站在进程角度）
关于IO，read和write都是阻塞式的IO
网络传输数据问题，本质上就是IO问题
如何更好的理解IO问题，就需要更好的理解什么叫做高效的IO？
- 首先明确，任何通信场景其IO通信场景，效率上一定是会有上限的。
- 抽象来说：IO=等+拷贝
- 在拷贝的角度来说，我们需要充分利用硬件资源以及网络资源
- 在“等”的角度来说，我们需要减少IO中“等”的权重

网络IO的核心流程

网络IO包含两个关键阶段：

数据就绪：数据从网络传输到网卡，再由网卡传至内核缓冲区。
数据拷贝：数据从内核缓冲区复制到用户空间的应用程序。

网络IO模型

Linux支持多种网络IO模型，它们的主要差异在于如何处理这两个阶段（阻塞、非阻塞、同步、异步）。

常见的网络IO模型有：

阻塞IO（Blocking IO）
非阻塞IO（Non-blocking IO）
IO多路复用（IO Multiplexing）
信号驱动IO（Signal-driven IO）
异步IO（Asynchronous IO）

注意：
前四种IO模型都属于同步IO，等的方式不同，但还是自己在深度参与IO过程，只要是自己参与了IO过程，就是同步IO

钓鱼例子

张三：眼睛盯着鱼漂，鱼漂动了，钓鱼
- 阻塞IO
李四：查看鱼漂是否动了，如果没有，就看手机刷抖音，期间不断查看鱼漂是否动了
- 非阻塞IO（轮巡）
王五：带来一车鱼竿插在岸边，来回检测哪一个鱼竿上的鱼漂动了
- IO多路复用
赵六：在鱼漂上系上一个铃铛，开始钓鱼后刷抖音，直到铃铛响起，开始钓上鱼。
- 信号驱动IO
田七：我雇佣一个人给我钓鱼，钓到的鱼给我。
- 异步IO

上述例子中：

鱼竿：文件描述符
钓鱼佬：进程

1. 阻塞IO（最基础的模型）

工作方式：应用程序调用系统调用后会被阻塞，一直等到数据就绪并被复制到用户空间，或者出现错误时才会返回。所有的套接字,默认
都是阻塞方式
特点：编程逻辑简单，但同一时间只能处理一个连接，容易造成性能瓶颈。

2. 非阻塞IO

工作方式：应用程序调用系统调用后会立即返回。如果数据未就绪，会返回EWOULDBLOCK错误。应用程序需要不断轮询来检查数据是否就绪。
特点：非阻塞IO能够避免线程长时间阻塞，但往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符,这个过程称为轮询.这对CPU来说是较大的浪费,一般只有特定场景下才使用.

3. IO多路复用（高性能服务器的核心）

工作方式：借助select、poll、epoll等系统调用，一个进程可以同时监视多个文件描述符（FD）。当某个FD的数据就绪时，就会通知应用程序进行处理。
优势：能够用单线程处理大量并发连接，显著减少了系统开销。

虽然从流程图上看起来和阻塞IO类似.实际上最核心在于IO多路转接能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.

4. 信号驱动IO

工作方式：应用程序先通过sigaction注册信号处理函数，然后继续执行其他任务。当数据就绪时，内核会发送SIGIO信号，应用程序在信号处理函数中进行数据读取操作。
特点：属于异步通知模式，但数据拷贝阶段仍然是同步的。

在这里插入图片描述

5. 异步IO（真正的异步模型）

工作方式：应用程序通过aio_read等接口发起异步IO请求，然后继续执行后续操作。内核会自动完成数据的读取和拷贝工作，完成后通过回调函数或者信号通知应用程序。
特点：整个IO过程都是异步的，极大地提高了系统的并发处理能力。

小结:
任何IO过程中,都包含两个步骤.第一是等待,第二是拷贝.
而且在实际的应用场景中,等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间.让IO更高效,最核心的办法就是让等待的时间尽量少

高级IO重要概念

在这里，我们要强调几个概念

同步通信 vs 异步通信(synchronous communication/ asynchronous communication)

同步和异步是消息通信机制。

所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了；换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果；
异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果；换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果；而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

另外，我们回忆在讲多进程多线程的时候，也提到同步和互斥。这里的同步通信和进程之间的同步是完全不相干的概念。

进程/线程同步也是进程/线程之间直接的制约关系。
是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。尤其是在访问临界资源的时候。

同学们以后在看到“同步”这个词，一定要先搞清楚大背景是什么。这个同步，是同步通信异步通信的同步，还是同步与互斥的同步。

阻塞 vs 非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

其他高级IO

非阻塞IO，纪录锁，系统V流机制，I/O多路转接（也叫I/O多路复用），readv和writev函数以及存储映射IO（mmap），这些统称为高级IO。

我们此处重点讨论的是I/O多路转接

非阻塞IO

fcntl

一个文件描述符，默认都是阻塞IO。
函数原型如下：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

fcntl的cmd的值不同，后面追加的参数也不相同。
fcntl函数有5种功能：

复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）。
获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD或F_SETFD)。
获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL或F_SETFL)。
获得/设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN或F_SETOWN)。
获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK或F_SETLKW)。

我们此处只是用第三种功能，获取/设置文件状态标记，就可以将一个文件描述符设置为非阻塞。

实现函数SetNoBlock

基于fcntl，我们实现一个SetNoBlock函数，将文件描述符设置为非阻塞。

void SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

使用F_GETFL将当前的文件描述符的属性取出来(这是一个位图)。
然后再使用F_SETFL将文件描述符设置回去。设置回去的同时，加上一个O_NONBLOCK参数。

轮询方式读取标准输入

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>void SetNoBlock(int fd) {int fl = fcntl(fd, F_GETFL);if (fl < 0) {perror("fcntl");return;}fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}int main() {SetNoBlock(0);while (1) {char buf[1024] = {0};ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0) {perror("read");sleep(1);continue;}printf("input:%s\n", buf);}return 0;
}