初识Linux · 五种IO模型和非阻塞IO

前言：

五种IO模型

什么是IO

IO模型

非阻塞IO

前言：

前文我们已经将网络的基本原理介绍完了，都是通过围绕TCP/IP四层协议，将应用层，传输层，网络层，数据链路层全部介绍完毕，至于部分小主题，比如ARP欺骗，HTTP协议的原理，cookie以及session等内容，我们放在后面介绍。

本文以及之后的内容，主要通过是介绍IO相关的问题，通过IO模型的介绍，从而引出多路复用的具体内容，通过介绍select，poll，epoll，最后再单独介绍一下Reactor，网络的基本原理我们就介绍完了。

那么废话不多说，我们直接进入五种IO模型。

五种IO模型

什么是IO

对于IO这个话题，我们从语言阶段，一直到了现在都经常谈论，因为IO问题不管在哪个阶段都是非常重要的，从C语言阶段的printf scanf，到文件操作的read和write涉及到了IO，即便是Linux，我们从一开始的文件系统，引出了文件描述符，到后面的网络也是一直使用文件描述符的概念，足以看出IO在编程中的重要性了。

那么问题来了，一开始我们只是粗略的将IO认定为是输入输出，今天我们进一步探讨，当我们第一次使用scanf的时候，我们发现只要我们不输入，系统就会阻塞住，系统在干什么呢？

系统在等我们输入，所以IO有一个非常重要的过程是：等待。当我们输入数据之后，系统也收到了数据也就不再等待，就执行了下一步操作了。这个过程还有读取的操作，或者是写入的操作，但是不管怎么说，都是从发送缓冲区/接收缓冲区拷贝数据到应用层的缓冲区。

所以实际上的IO = 等待 + 拷贝。

而我们从一开始的学习到现在，使用到的基本上都是阻塞IO，自然也就存在非阻塞的IO，我们放在IO模型里面介绍。那么我们在MySQL中介绍索引的时候，我们提及到了IO次数如果多了，就一定会降低效率，所以我们就要使用高效的IO，那么高效的IO实际上减少了等待操作在IO中的比例。

IO模型

对于IO模型我们拿钓鱼举例子，假设有五个人，分别在鱼塘中钓鱼，张三拿个鱼竿就坐在那里一直等待，当别人问他什么事，他也不理睬，这是第一种IO模型；李四拿个鱼竿放在那里，就不管了，转身去做自己的事儿了，然后定期来查看鱼竿的情况，这是第二种IO模型；王五拿个鱼竿，钓鱼的时候放个铃铛，当鱼上钩了，就放在自己手里的事儿，然后钓鱼，这是第三种IO模型；赵六就很有说法了，拿了一卡车的鱼竿过来了，同时使用很多的鱼竿，然后一个一个的检查鱼竿情况，这是第四种IO模型；田七的钓鱼操作是派遣一个人，让这个人像张三一样，完成钓鱼的等待和钓操作，自己就转身去干其他事儿了，也就是田七只负责吃的操作，这是第五种IO模型。

那么上述都是一个口语化的介绍，实际上的名称叫做：
第一种，阻塞IO，比如我们常见的read recvfrom scanf都是阻塞IO的代表，如果系统的数据还没有准备好，强行非阻塞的话就会返回错误码11，一会儿我们可以实验。

第二种，非阻塞IO，非阻塞IO顾名思义，IO的同时干自己的事儿，那么这意味着需要反反复复的尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询，但是因为会反反复复的操作文件操作符，所以会对CPU资源造成较大的浪费，一般根据特定情况使用：

第三种，信号驱动IO，同王五一样，铃铛就像信号，内核将数据处理好之后，就使用信号SIGIO通知应用程序，这种IO模型实际上也是非阻塞IO模型：

第四种，IO多路转接，它实际上是阻塞IO的plus版本，也就是说张三一个人进行阻塞IO的时候，赵六已经创建了100个张三的分身了，所以实际上的流程图也就是IO的流程图，那么多路转接也是我们后面的主题，介绍select poll epoll就是从这里引出的：

第五种，异步IO，异步IO实际上就是先让内核吧数据报准备好，再进行拷贝的，最后OS给应用程序发信号通知准备好了，这个过程田七只是作为发起IO，但是等的过程交给了内核，然后他再来负责拷贝，那么被称为异步IO就是因为发出 I/O 请求的线程不会阻塞等待，后续的 I/O 完成由内核负责异步处理，应用程序通过信号、回调或轮询某种状态（如 aio_error()）来获取 I/O 是否完成，所以它是异步的。

那么以上五种IO中，第四种IO多路复用的效率是最高的，因为大大减少了等待了时间，这也是之后我们为什么围绕它展开的理由。

非阻塞IO

对于阻塞IO来说，是我们最常见，也是最经常使用的IO模型，但是如果我们今天想尝试一下非阻塞IO怎么办呢？我们可以使用函数fcntl：

第一个参数是对应的文件描述符，第二个参数是执行的控制命令，第三个参数取决于第三个参数，可以忽略。

一般常用的cmd有F_SETFL，F_GETFL，GET用来获取状态标志，SET用来获取标志，比如我们想要将一个文件描述符设置为非阻塞的就可以这样操作：

void SetNoBlock()
{int n = ::fcntl(0, F_GETFL);if(n < 0)std::cout << "Error" << std::endl;else   fcntl(0, F_SETFL, n | O_NONBLOCK);
}int main() 
{SetNoBlock();while(true){char buffer[1024];ssize_t n = ::read(0, buffer, sizeof(buffer));if(n > 0){std::string str = buffer;std::cout << str << std::endl;}else if(n == 0){std::cout << "read done!" << std::endl;break;}else{// errno == 11 EWOULDBLOCK EAGAINif(errno == EWOULDBLOCK){continue;}std::cout << "GG" << std::endl;sleep(1);}}return 0;
}

我们会发现如果我们强行让read这种阻塞IO变成非阻塞IO，就会导致返回的值是负数，所以这个时候就有这种情况：发生错误是因为read本身出错还是因为非阻塞下没有数据可读导致read不会阻塞直接返回-1？所以我们可使用EWOULDBLOCK比较一下，当然了，它的本质是11，也是EAGAIN：