高级IO详解——五种IO模型

什么是IO

这里以应用层与传输层的数据交互为例：

"O"过程：

● 应用层等待用户层产生数据；

● 数据就绪后，将数据拷贝到发送缓冲区；

"I"过程：

● 接收缓冲区等待数据从对端发来；

● 数据收到后，将数据拷贝给应用层；

---

本质上，IO = 等 + 拷贝。IO的过程，其实就是等待数据加拷贝数据的过程。

什么是高效的IO

任何的IO过程中，都包含两个步骤，等待数据与拷贝数据。而且在实际的应用场景中，等待消耗的时间往往都远高于拷贝的时间。让IO更高效，最核心的办法就是让等待的时间尽量少。

所以，高效的IO本质就是，减少单位时间内，”等“的比重。

五种IO模型

五种IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路转接和异步IO。

想象一个钓鱼的场景，有五个人在一起钓鱼。

● 张三：一个一心一意的人，在等待鱼上钩的过程中，什么都不做，专心等待；

● 李四：一个三心二意的人，在开始钓鱼后，就去做别的事了，一会看看书，一会听听音乐；

● 王五：一个聪明人，在鱼钩上挂了一个铃铛，当鱼上钩时，铃铛发出声音通知王五，而王五在等待期间，可以去做别的事；

● 赵六：一个有钱人，周围的人都只是用一根鱼竿在钓鱼，而赵六摆了一百根鱼竿同时钓鱼；

● 田七：一个老板，把钓鱼的事情吩咐给司机，让司机去完成钓鱼的整个过程，完成后，打电话通知田七，田七直接拿走了所有的鱼；

对于上面的场景，鱼竿可以理解为一个文件描述符 fd ，鱼可以理解为我们需要等待的资源。

张三对应的是阻塞等待，当数据还没就绪时，系统调用会一直等待，不做任何事情。所有的套接字，默认都是阻塞方式；

李四对应的是非阻塞等待，当数据还没就绪时，系统调用会直接以错误的形式返回。非阻塞IO往往需要程序员以循环的方式，反复尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询。对CPU来说是较大的浪费，一般只有特定的场景下才使用；

王五对应的是信号驱动，内核将数据准备好的时候，使用 SIGIO 信号通知应用程序进行IO操作；

赵六对应的是多路转接，多路转接的等待方式与阻塞等待类似，不过核心区别在于，IO多路转接能同时等待多个资源的就绪状态；

田七对应的是异步IO，由内核将数据拷贝完成时，通知应用程序。与信号驱动不同的是，信号驱动是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据；

socket就绪条件

读就绪

● socket 内核中，接收缓冲区中的字节数，大于等于低水位标记 SO_RCVLOWAT 。此时可以无阻塞的读该文件描述符，并且返回值大于0；

● socket TCP通信中，对端关闭连接，此时对该 socket 读，则返回0；

● 监听的 socket 上 有新的请求；

● socket 上有未处理的错误；

写就绪

● socket 内核中，发送缓冲区中的可用字节数（发送缓冲区的空闲位置大小），大于等于低水位标记 SO_SNDLOWAT ，此时可以无阻塞的写，并且返回值大于0；

● socket 的写操作被关闭（close或者shutdown）。对一个写操作被关闭的 socket 进行写操作，会触发 SIGPIPE 信号；

● 非阻塞式的 socket ，connect 连接成功或失败之后；

● socket 上有未读取的错误；

非阻塞IO

一个文件描述符，默认都是阻塞IO。

但我们可以通过设置文件描述符的属性，将其设置成非阻塞。

fcntl

函数原型

#include 
#include 
​
int fcntl(int fd, int cmd, .../* arg */ );

传入的cmd的值不同，后面追加的参数也不相同。

函数功能

● 复制一个现有的文件描述符（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） ；

此处用第三种功能，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SetNonBlock

void SetNonBlock(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；

多路复用

在高性能的服务器上，多采用多路复用技术，多路其实就是多个连接，复用就是复用此服务器进程。那么合在一起，多路复用，就是用一个进程进行多个连接的处理。

对于服务器来说，开放端口等待客户端连接，开始多采用多进程或多线程编程的方式。即每个连接采用单独的进程或线程进行处理，但是每台计算机因为内存等资源限制，可以开的进程或线程数有限，而且过多的线程会导致线程切换的成本过大，缓存失效等一系列问题，根本无法做到单机处理十万、百万连接。

如果采用非阻塞，在用户进程里面轮询方式呢？这样会占用很高的cpu资源，所以后来发展出多路复用技术，即采用一个进程处理多个连接。一个进程怎么处理多个连接呢？不可能采用阻塞的方式，一旦阻塞在一个连接的IO上，其他连接有事件过来了也没办法处理，那只能轮询查看各个连接上是否有可读、可写消息，从而达到多路复用的目的，linux内核提供select、poll、epoll三种多路复用机制。