四种网络IO模型

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IO的定义

IO是计算机内存与外部设备之间拷贝数据的过程。CPU访问内存的速度远高于外部设备。因此CPU是先把外部设备的数据读取到内存，在进行处理。

大家是否还记得局部性原理：

• 时间局部性
• 空间局部性

  一次IO会把一块或一块旁边的数据全部加载到内存种

  IO的流程

          用户发起调用操作，通过系统调用函数read()来间接的调用系统内核，从网卡读取数据，先将数据读取到内核缓冲区，在由内核缓冲区拷贝到用户态内存缓冲区。

  为什么要有内核态与用户态？

  因为早期的计算机设计是没有这个设计思想的，有一些指令是非常危险的，如果错用，将导致整个系统崩溃，有些敏感操作为了避免直接由用户操作。

  内核态

          处于内核态的CPU可以任意访问数据。包括外围设备，比如网卡，硬盘等。处于内核态的CPU可以从一个程序切换到另一个程序，并且占用CPU不会发生在抢占情况，一般处于特级0的状态我们称之为内核态。

  用户态

          处于用户态的CPU只能访问受限制的资源，不能直接访问内存等硬件设施，必须通过系统调用陷入到内核态中，才能访问这些特权资源。

          

          内核缓冲区处理的是内核空间和磁盘之间的数据传递，目的是减少访问磁盘的次数；而用户缓冲区处理的是用户空间和内核空间的数据传递，目的是减少系统调用的次数

  IO要解决的问题

           在这个过程中设计的CPU操作，内存操作、外部物理设备的操作。由于三者数据处理速度的差异：用户读取数据时采用 用户线程阻塞等待？非阻塞轮询并读取数据？这个就是IO模型要解决的问题。

  四种主要的IO模型

  同步阻塞IO

          用户线程发起read调用后阻塞，让出CPU,内核态等待网卡数据到来，把网卡拷贝到内核空间，接着把数据拷贝到用户空间。在把用户线程唤醒。

  

  同步非阻塞IO

          将Socket设置为non-blocking，当前连接就变成了非阻塞IO,使用非阻塞模式的IO读写，叫做同步非阻塞IO。

  在同步非阻塞IO中会出现以下几种情况：

  • 在内核缓冲区没有数据的情况下，系统调用会立刻返回，返回一个调用失败的信息。这样的请求不会阻塞。
  • 用户线程需要不断发起IO系统调用，测试内核数据是否准备好。
  • 在内核缓冲区有数据的情况下，是阻塞的。直到内核缓冲区的数据全部复制到进程缓冲区，系统调用完成。

    同步非堵塞IO模型如下图：

    

    同步非阻塞IO特点：程序需要不断的进行IO系统调用，轮询数据是否准备好，如果没有准备好，就继续轮询。

    IO多路复用模型

            在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用select/epoll，查询IO的就绪状态。通过该系统调用可以监视多个文件描述符。一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读可写），内核就能将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪状态进行相应IO。

            在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断轮询成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作

    O多路复用模型如下图所示：

    

    IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型涉及两种系统调用，一种是就绪查询（select/epoll），一种是IO操作。

    多路复用IO也需要轮询。负责就绪状态查询系统调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。

    异步IO模型（AIO）

    基本流程为：

            用户通过系统调用，向内核注册某个IO操作，内核在整个IO操作(包括数据准备，数据复制)完成后，通知用户程序，执行后续的业务操作。(类似回调函数)

           在异步IO模型中，整个内核的数据处理过程中，包括内核将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓存区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区，用户程序都不需要阻塞。

    异步IO模型如下图所示：

    

    异步IO模型的特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。当内核的IO操作（等待数据和复制数据）全部完成后，内核会通知应用程序读数据。