如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復用、異步

本篇內容主要講解“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復用、異步”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復用、異步”吧!

在Unix網絡編程中，史蒂文斯給出了5種IO編程模型，其中最重點、也最常用的是多路復用模型(Multiplexing)。 這5種模型分別為：

• 阻塞式IO

• 非阻塞式IO

• IO多路復用(multiplexing io)，基于select/poll/epoll

• 信號驅動式IO SIGIO

• 異步IO（posix aio_abi和libaio）

想要說明清楚這幾個模型，一個很好的方式是把網絡IO分為兩個階段來理解。第一階段，從客戶端向服務端發送請求開始，到數據從網絡傳輸到達，完全準備好為止。第二階段，數據從內核空間復制到程序緩存（即用戶空間），這個階段才是應用真正執行recvfrom系統調用的階段。在第一階段，程序要么阻塞在recvfrom調用上，要么阻塞在select之類的方法上，或者干其他的事情去了（輪詢、異步等）。

有了這個基本認知，我們再來逐個審視這幾種模型。

阻塞式I/O模型

阻塞式IO（blocking I/O）是最基本的IO模型，也是日常使用中默認的模式。

如上圖，應用發出請求，試圖執行recvfrom系統調用，以獲取數據，由于數據還沒準備好（也許服務端才開始處理請求），當前請求線程被阻塞，只能傻傻的等待，直到數據可讀或者拋出異常。如果是單線程應用，主線程掛起，CPU空置。如果是多線程，當前線程掛起，CPU切換時間片去執行其他線程。

非阻塞式IO模型

一般的Socket對象都會有一個setblocking(False)或者ConfigureBlocing(false)之類的方法，將當前IO線程設置成非阻塞模式。

如圖，當socket設置為nonblocking時，在一階段（數據準備階段，還記得前面說的二階段IO么，這里派上了用場）線程會不斷的發起recvfrom輪詢，如果還沒有準備好數據，會得到一個EWouldBLOCK錯誤信號，直到數據準備好之后，開始真正執行recvfrom拉取數據。輪詢會極大的消耗CPU時間，所以這種模型極少用到。

IO多路復用

I/O復用，即I/O multiplexing，這是一種基于select函數的編程模型，也是最常用的一種。有些人喜歡把它稱作異步阻塞模型，我覺得這種叫法很容易讓人產生誤解，實際上這個模型和所謂的異步I/O沒有半毛錢關系。

如上圖，在第一階段，我們可以通過select函數注冊多路IO對象。每一個注冊的IO對象都會阻塞在select函數上，直到IO對象的狀態發生改變。此時數據已經準備好讀/寫。調度器遍歷這些IO對象，返回準備好讀/寫的IO對象。緊接著進入第二階段，開始對準備好的IO對象調用recvfrom函數。

對于多路復用模型，Java NIO基于select庫實現了調度器Selector，python的selectors模塊分別提供了基于select、poll以及epoll庫的封裝對象。

通過以上過程，我們還可以看到，其實IO多路復用跟阻塞IO很相似，基本兩個階段都在阻塞狀態。只不過前者第一階段阻塞在select函數上，第二階段阻塞在recvfrom調用上；而后者全程阻塞在recvfrom上。而且IO多路復用由于需要注冊、遍歷IO對象，其實涉及到更多的步驟開銷。但是多路復用的優勢正在于可以同時對接多個IO對象，結合多線程技術，可以帶來很大的靈活性。

異步IO模型

前面提到的三種模型，本質上在真正的IO階段（第二階段），都會阻塞。而在異步IO模型中，應用發出數據請求后，不再等待，直接返回。期間線程也不會阻塞。之后由內核處理兩個階段IO，然后給應用發送信號，程序直接獲取數據。

基于Unix系統有一個POSIX異步IO庫——aio_abi，以及一個第三方庫aiolib，后者可能更加知名。異步IO模型非常復雜，一般很少見到。另外我也有一些疑惑，python中的asyncio包提出的協程概念，和這里的異步IO是否為同一件事物。史蒂文斯在這里描述的異步明顯需要基于系統內核的相關實現，和asyncio這種單純的編程概念，大概說的不是一個層級的東西吧。

隱喻

最后還是說一個比喻吧。如果把IO模型比作網購，在你提交訂單的一刻到快遞員將貨物帶到你家小區門口期間，可看作一階段IO。之后小哥給你打電話：“你的快遞，快開門”，這相當于數據準備好了，并發送了通知。之后，你跑到門口將快遞一件一件搬到家里，這是第二階段。

阻塞模型相當于你提了訂單，就不吃不喝，只等著快遞，直到小哥給你打電話，然后吭哧吭哧把快遞搬到家，你才開始吃喝、睡覺等。非阻塞模型下，你提交訂單后就開始自由行動了。但是仍然會每隔幾分鐘跑到小區門口看看快遞到了沒（輪詢），一直把自己搞得精疲力盡。直到小哥給你打電話，你把快遞搬回家才算消停。多路復用模型下，你同時提交了多個訂單，但不再傻傻的朝門口來回跑了，而是緊緊盯著菜鳥裹裹信息（阻塞在select），直到其上顯示至少有一個快遞到了，你會嗖的跑過去，當然，快遞仍然自己搬（recvfrom阻塞）。異步模型下，你雇了一個萬能管家吉福斯，你只要下完訂單，就不用操心了，他會打點好一切，最后他會把快遞按照你們約定的地點、方式，直接送到你的手上。

到此，相信大家對“如何理解常見的IO模型：阻塞、非阻塞、多路復用、異步”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！