服务端网络编程常见网络IO模型讲解

一、什么是阻塞/非阻塞，什么是同/异步

• 洗衣机洗衣服
  • 洗衣机洗衣服（无论阻塞式IO还是非阻塞式IO，都是同步IO模型）
• 同步阻塞：你把衣服丢到洗衣机洗，然后看着洗衣机洗完，洗好后再去晾衣服（你就干等，啥都不做，阻塞在那边）
• 同步非阻塞：你把衣服丢到洗衣机洗，然后会客厅做其他事情，定时去阳台看洗衣机是不是洗完了，洗好后再去晾衣服
• 异步非阻塞：你把衣服丢到洗衣机洗，然后会客厅做其他事情，洗衣机洗好后会自动去晾衣服，晾完成后放个音乐告诉你洗好衣服并晾好了

二、(BAT面试核心知识)Linux网络编程中的五种I/O模型讲解

• 网络IO,用户程序和内核的交互为基础进行讲解
• IO操作分两步：发起IO请求等待数据准备，实际IO操作（洗衣服，晾衣服） 同步须要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞（好比晾衣服阻塞了你） 异步仅仅须要I/O操作完毕的通知。并不主动读写数据，由操作系统内核完毕数据的读写（机器人帮你自动晾衣服）
• 五种IO的模型：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO和异步IO, 前四种都是同步IO，在内核数据copy到用户空间时都是阻塞的
• IO操作分为两步
  • 发起IO请求，等待数据准备(Waiting for the data to be ready)
  • 实际的IO操作，将数据从内核拷贝到进程中(Copying the data from the kernel to the process)
• 前四种IO模型都是同步IO操作，区别在于第一阶段，而他们的第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间），进程阻塞于recvfrom调用或者select()函数。 相反，异步I/O模型在这两个阶段都要处理。
• 阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。
• 几个核心点：
  • 阻塞非阻塞说的是线程的状态（重要）
  • 同步和异步说的是消息的通知机制（重要）
  • 同步需要主动读写数据,异步是不需要主动读写数据
  • 同步IO和异步IO是针对用户应用程序和内核的交互

三、高并发编程必备知识IO多路复用技术select、poll

• 什么是IO多路复用
  • I/O多路复用，I/O是指网络I/O, 多路指多个TCP连接(即socket或者channel），复用指复用一个或几个线程。简单来说：就是使用一个或者几个线程处理多个TCP连接,最大优势是减少系统开销小，不必创建过多的进程/线程，也不必维护这些进程/线程
• select：
  • 基本原理：监视文件3类描述符： writefds、readfds、和exceptfds,调用后select函数会阻塞住，等有数据 可读、可写、出异常 或者 超时 就会返回, select函数正常返回后，通过遍历fdset整个数组才能发现哪些句柄发生了事件，来找到就绪的描述符fd，然后进行对应的IO操作,几乎在所有的平台上支持，跨平台支持性好
  • 缺点：
    • 1）select采用轮询的方式扫描文件描述符，全部扫描，随着文件描述符FD数量增多而性能下降 2）每次调用 select()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历(消息传递都是从内核到用户空间) 3）最大的缺陷就是单个进程打开的FD有限制，默认是1024 （可修改宏定义，但是效率仍然慢）
• poll:
  • select() 和 poll() 系统调用的大体一样，处理多个描述符也是使用轮询的方式，根据描述符的状态进行处理,一样需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历。最大区别是: poll没有最大文件描述符限制（使用链表的方式存储fd）

四、高并发编程必备知识IO多路复用技术Epoll

• epoll 基本原理：
  • 在2.6内核中提出的，对比select和poll，epoll更加灵活，没有描述符限制，用户态拷贝到内核态只需要一次使用事件通知，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用callback的回调机制来激活对应的fd
• 优点：
  • 1)  没fd这个限制，所支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数，1G内存大概支持10万个句柄
  • 2)  效率提高，使用回调通知而不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降
  • 3)  通过callback机制通知，内核和用户空间mmap同一块内存实现
• Linux内核核心函数
  • 1)  epoll_create() 在Linux内核里面申请一个文件系统 B+树，返回epoll对象，也是一个fd
  • 2)  epoll_ctl() 操作epoll对象，在这个对象里面修改添加删除对应的链接fd, 绑定一个callback函数
  • 3)  epoll_wait() 判断并完成对应的IO操作
• 缺点：
  • 编程模型比select/poll 复杂