本文我们主要来了解一下Unix/Linux下5种网络IO模型：blocking IO, nonblocking IO, IO multiplexing, signal driven IO, asynchronous IO的基本原理，更好的理解在高级语言中的异步编程，一起来看看吧，希望对大家学习linux有所帮助。

写在前面

为了更好的理解下面提到的Linux下5种网络IO的概念，我们还是有必要先理清几个概念。

1.程序空间与内核空间

在Linux中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到程序的程序缓冲区。它首先会被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区。p.s: 最后一句话非常重要，重复一遍。

1. Waiting for the data to be ready(等待数据到达内核缓冲区)

2.Copying the data from the kernel to the process(从内核缓冲区拷贝数据到程序缓冲区)

2.阻塞与非阻塞

阻塞就是说我们某一个请求不能立即得到返回应答，否则就可以理解为非阻塞。

3.同步IO与异步IO

这里先直接引用Stevens(POSIX)在Unix网络编程中的定义：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes. An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

对于同步与异步，我们可以用一个简单的生活场景来描述。当我们排队在实体店买东西可以视作同步，而网购则可以视作异步。实体店排队这种同步情形显然是非常的浪费时间，等待的这段时间我们被阻塞住了不能干其他的事情，而网购只要我们提交一下订单之后其他什么都不用管了，商品到了，快递员给我们发送一个信号(打电话)我们直接到门口去拿，等待的这段时间我们可以用来撸代码。

p.s: 等你阅读完文章的后面部分，回过头来看异步其实就是将等待的这段时间去处理IO操作，把CPU(我们的大脑)让出来做其他更有价值的事情(撸代码)，而不是像同步那样去傻傻地排队。更加详细准确的定义可以在阅读完本文后面部分后参考维基百科。

4.文件描述符

在Linux下面一切皆文件， 文件描述符(file descriptor)是内核为文件所创建的索引 ，所有I/O操作都通过调用文件描述符(索引)来执行，包括下面我们要提到的socket。Linux刚启动的时候会自动设置0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。

5种网络IO模型

1.blocking IO(阻塞IO)

如图所示，进程调用一个recvfrom请求，但是它不能立刻收到回复，直到数据返回，然后将数据从内核空间复制到程序空间。这里我们再次回顾开篇提到的两个过程：

1.Waiting for the data to be ready(等待数据到达内核缓冲区)

2.Copying the data from the kernel to the process(从内核缓冲区拷贝数据到程序缓冲区)

注意到没有，在上面这两个过程中，进程都处于blocked(阻塞)状态，在等待数据返回的过程中不能空闲出来干其他的事情。

2.nonblocking IO(非阻塞IO)

当我们设置一个socket为nonblocking(非阻塞)，相当于告诉内核当我们请求的IO操作不能立即得到返回结果，不要把进程设置为sleep状态，而是返回一个错误信息(下图中的EWOULDBLOCK)。

我们来分析一下图片中的整个流程。前三次我们调用recvfrom请求，但是并没有数据返回，所以内核只能返回一个错误信息(EWOULDBLOCK)。但是当我们第四次调用recvfrom，数据已经准备好了，然后将它从内核空间复制到程序空间。

在非阻塞状态下，我们的过程一(wait for data)并不是完全的阻塞的，但是过程二(copy data from kernel to user)依然处于一个阻塞状态。

3.IO multiplexing(IO复用)

IO复用的好处是我们可以通过(select/poll/epoll)一个时刻处理多个文件描述符，这里以select为例来分析一下。

IO复用实际上也是完全阻塞的，请仔细看图(图中我们有两个return，前面我们都只有一个return)，Stevens在书中提到这里并没有阻塞在recfrom阶段而是阻塞在select阶段，其实这样说并不是非常的严谨，因为recform其实也是一个阻塞过程(图中也描述了)，recvfrom过程中进程除了等待copy data from kernel to user以外，并不能空闲出来干其他事情。

两个过程的都是阻塞的，看起来IO复用和阻塞IO相比似乎并没有什么优势，而且还需要两个return，但是这里注意在IO复用中我们可以同时监听多个文件描述符。

4.signal driven IO(信号驱动IO)

我们也可以使用信号驱动IO，要求内核通知我们当文件描述符准备就绪以后发送相应的信号。

我们根据图片来分析一下。 阶段1: 我们首先设置socket为一个信号驱动IO，并且通过sigaction system call安装一个signal handler，注意这个过程是瞬时的，所以这个阶段是非阻塞的。 阶段2 : 当数据已经准备好了以后，一个SIGIO信号传送给我们的进程告诉我们数据准备好了，然后进程开始等待数据从内核空间复制到程序空间(copy data from kernel to user)，这个过程是阻塞的，因为我们的进程只能等待数据复制完毕。

5.asynchronous IO(异步IO)

我们来看一下异步的概念，异步就是说对于上面两个步骤(wait for data 和copy of the data from the kernel to our buffer)当它们完成的时候会自动通知进程，在这段时间里面进程什么都不用操心，就像网购一样，下了单什么也不用管了等着快递员通知我们(即我们通常所说的callback)。 相比前面的信号驱动IO，异步IO两个阶段都是非阻塞的。

6.小结

阻塞式IO(默认)，非阻塞式IO(nonblock)，IO复用(select/poll/epoll)，signal driven IO(信号驱动IO)都是属于同步型IO，因为在第二个阶段: 从内核空间拷贝数据到程序空间的时候不能干别的事。只有异步I/O模型(AIO)才是符合我们上面对于异步型IO操作的含义，在1.wait for data，2.copy data from kernel to user，这两个等待/接收数据的时间段内进程可以干其他的事情，只要等着被通知就可以了。

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