网络 IO 演变过程

在互联网中提起网络，我们都会避免不了讨论高并发、百万连接。而此处的百万连接的实现，脱离不了网络 IO 的选择，因此本文作为一篇个人学习的笔记，特此进行记录一下整个网络 IO 的发展演变过程。以及目前广泛使用的网络模型。

1.网络 IO 的发展

在本节内容中，我们将一步一步介绍网络 IO 的演变发展过程。介绍完发展过程后，再对网络 IO 中几组容易混淆的概念进行对比、分析。

1.1 网络 IO 的各个发展阶段

通常，我们在此讨论的网络 IO 一般都是针对 linux 操作系统而言。网络 IO 的发展过程是随着 linux 的内核演变而变化，因此网络 IO 大致可以分为如下几个阶段：

1. 阻塞 IO(BIO)
2. 非阻塞 IO(NIO)
3. IO 多路复用第一版(select/poll)
4. IO 多路复用第二版(epoll)
5. 异步 IO(AIO)

而每一个阶段，都是因为当前的网络有一些缺陷，因此又在不断改进该缺陷。这是网络 IO 一直演变过程中的本质。下面将对上述几个阶段进行介绍，并对每个阶段的网络 IO 解决了哪些问题、优点、缺点进行剖析。

1.2 网络的两个阶段

在网络中，我们通常可以将其广义上划分为以下两个阶段：

第一阶段：硬件接口到内核态
第二阶段：内核态到用户态

本人理解：我们通常上网，大部分数据都是通过网线传递的。因此对于两台计算机而言，要进行网络通信，其数据都是先从应用程序传递到传输层(TCP/UDP)到达内核态，然后再到网络层、数据链路层、物理层，接着数据传递到硬件网卡，最后通过网络传输介质传递到对端机器的网卡，然后再一步一步数据从网卡传递到内核态，最后再拷贝到用户态。

1.3 阻塞 IO 和非阻塞 IO 的区别

根据 1.2 节的内容，我们可以知道，网络中的数据传输从网络传输介质到达目的机器，需要如上两个阶段。此处我们把从硬件到内核态这一阶段，是否发生阻塞等待，可以将网络分为阻塞 IO和非阻塞 IO。如果用户发起了读写请求，但内核态数据还未准备就绪，该阶段不会阻塞用户操作，内核立马返回，则称为非阻塞 IO。如果该阶段一直阻塞用户操作。直到内核态数据准备就绪，才返回。这种方式称为阻塞 IO。

因此，区分阻塞 IO 和非阻塞 IO 主要看第一阶段是否阻塞用户操作。

1.4 同步 IO 和异步 IO 的区别

从前面我们知道了，数据的传递需要两个阶段，在此处只要任何一个阶段会阻塞用户请求，都将其称为同步 IO，两个阶段都不阻塞，则称为异步 IO。

在目前所有的操作系统中，linux 中的 epoll、mac 的 kqueue 都属于同步 IO，因为其在第二阶段(数据从内核态到用户态)都会发生拷贝阻塞。 而只有 windows 中的 IOCP 才真正属于异步 IO，即 AIO。

2.阻塞 IO

在本节，我们将介绍最初的阻塞 IO，阻塞 IO 英文为 blocking IO，又称为 BIO。根据前面的介绍，阻塞 IO 主要指的是第一阶段(硬件网卡到内核态)。

2.1 阻塞 IO 的概念

阻塞 IO，顾名思义当用户发生了系统调用后，如果数据未从网卡到达内核态，内核态数据未准备好，此时会一直阻塞。直到数据就绪，然后从内核态拷贝到用户态再返回。具体过程可以参考 2.2 的图示。

2.2 阻塞 IO 的过程

2.3 阻塞 IO 的缺点

在一般使用阻塞 IO 时，都需要配置多线程来使用，最常见的模型