漫話：如何給女朋友解釋什麼是Linux的五種IO模型？

漫話程式設計發表於2018-10-08

Linux模型

週日午後，剛剛放下手裡的電話，正在給剛剛的面試者寫評價。剛剛寫到『對Linux的基本IO模型理解不深』這句的時候，女朋友突然出現。

在Java中，主要有三種IO模型，分別是阻塞IO（BIO）、非阻塞IO（NIO）和非同步IO（AIO）。

Java中提供的IO有關的API，在檔案處理的時候，其實依賴作業系統層面的IO操作實現的。比如在Linux 2.6以後，Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的，而在Windows上，AIO是通過IOCP來實現的。

可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解為是Java語言對作業系統的各種IO模型的封裝。程式設計師在使用這些API的時候，不需要關心作業系統層面的知識，也不需要根據不同作業系統編寫不同的程式碼。只需要使用Java的API就可以了。

在Linux(UNIX)作業系統中，共有五種IO模型，分別是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型、訊號驅動IO模型以及非同步IO模型。

既然提到晚上吃魚，那就通過釣魚的例子來解釋這五種IO模型吧。

到底什麼是IO

我們常說的IO，指的是檔案的輸入和輸出，但是在作業系統層面是如何定義IO的呢？到底什麼樣的過程可以叫做是一次IO呢？

拿一次磁碟檔案讀取為例，我們要讀取的檔案是儲存在磁碟上的，我們的目的是把它讀取到記憶體中。可以把這個步驟簡化成把資料從硬體（硬碟）中讀取到使用者空間中。

其實真正的檔案讀取還涉及到快取等細節，這裡就不展開講述了。關於使用者空間、核心空間以及硬體等的關係如果讀者不理解的話，可以通過釣魚的例子理解。

釣魚的時候，剛開始魚是在魚塘裡面的，我們的釣魚動作的最終結束標誌是魚從魚塘中被我們釣上來，放入魚簍中。

這裡面的魚塘就可以對映成磁碟，中間過渡的魚鉤可以對映成核心空間，最終放魚的魚簍可以對映成使用者空間。一次完整的釣魚（IO）操作，是魚（檔案）從魚塘（硬碟）中轉移（拷貝）到魚簍（使用者空間）的過程。

阻塞IO模型

我們釣魚的時候，有一種方式比較愜意，比較輕鬆，那就是我們坐在魚竿面前，這個過程中我們什麼也不做，雙手一直把著魚竿，就靜靜的等著魚兒咬鉤。一旦手上感受到魚的力道，就把魚釣起來放入魚簍中。然後再釣下一條魚。

對映到Linux作業系統中，這就是一種最簡單的IO模型，即阻塞IO。阻塞 I/O 是最簡單的 I/O 模型，一般表現為程式或執行緒等待某個條件，如果條件不滿足，則一直等下去。條件滿足，則進行下一步操作。

應用程式通過系統呼叫 recvfrom 接收資料，但由於核心還未準備好資料包，應用程式就會阻塞住，直到核心準備好資料包，recvfrom 完成資料包復制工作，應用程式才能結束阻塞狀態。

這種釣魚方式相對來說比較簡單，對於釣魚的人來說，不需要什麼特製的魚竿，拿一根夠長的木棍就可以悠閒的開始釣魚了（實現簡單）。缺點就是比較耗費時間，比較適合那種對魚的需求量小的情況（併發低，時效性要求低）。

非阻塞IO模型

我們釣魚的時候，在等待魚兒咬鉤的過程中，我們可以做點別的事情，比如玩一把王者榮耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我們要時不時的去看一下魚竿，一旦發現有魚兒上鉤了，就把魚釣上來。

對映到Linux作業系統中，這就是非阻塞的IO模型。應用程式與核心互動，目的未達到之前，不再一味的等著，而是直接返回。然後通過輪詢的方式，不停的去問核心資料準備有沒有準備好。如果某一次輪詢發現資料已經準備好了，那就把資料拷貝到使用者空間中。

應用程式通過 recvfrom 呼叫不停的去和核心互動，直到核心準備好資料。如果沒有準備好，核心會返回error，應用程式在得到error後，過一段時間再傳送recvfrom請求。在兩次傳送請求的時間段，程式可以先做別的事情。

這種方式釣魚，和阻塞IO比，所使用的工具沒有什麼變化，但是釣魚的時候可以做些其他事情，增加時間的利用率。

訊號驅動IO模型

我們釣魚的時候，為了避免自己一遍一遍的去檢視魚竿，我們可以給魚竿安裝一個報警器。當有魚兒咬鉤的時候立刻報警。然後我們再收到報警後，去把魚釣起來。

對映到Linux作業系統中，這就是訊號驅動IO。應用程式在讀取檔案時通知核心，如果某個 socket 的某個事件發生時，請向我發一個訊號。在收到訊號後，訊號對應的處理函式會進行後續處理。

應用程式預先向核心註冊一個訊號處理函式，然後使用者程式返回，並且不阻塞，當核心資料準備就緒時會傳送一個訊號給程式，使用者程式便在訊號處理函式中開始把資料拷貝的使用者空間中。

這種方式釣魚，和前幾種相比，所使用的工具有了一些變化，需要有一些定製（實現複雜）。但是釣魚的人就可以在魚兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等著報警器響就行了。

IO複用模型

我們釣魚的時候，為了保證可以最短的時間釣到最多的魚，我們同一時間擺放多個魚竿，同時釣魚。然後哪個魚竿有魚兒咬鉤了，我們就把哪個魚竿上面的魚釣起來。

對映到Linux作業系統中，這就是IO複用模型。多個程式的IO可以註冊到同一個管道上，這個管道會統一和核心進行互動。當管道中的某一個請求需要的資料準備好之後，程式再把對應的資料拷貝到使用者空間中。

IO多路轉接是多了一個select函式，多個程式的IO可以註冊到同一個select上，當使用者程式呼叫該select，select會監聽所有註冊好的IO，如果所有被監聽的IO需要的資料都沒有準備好時，select呼叫程式會阻塞。當任意一個IO所需的資料準備好之後，select呼叫就會返回，然後程式在通過recvfrom來進行資料拷貝。

這裡的IO複用模型，並沒有向核心註冊訊號處理函式，所以，他並不是非阻塞的。程式在發出select後，要等到select監聽的所有IO操作中至少有一個需要的資料準備好，才會有返回，並且也需要再次傳送請求去進行檔案的拷貝。

這種方式的釣魚，通過增加魚竿的方式，可以有效的提升效率。

為什麼以上四種都是同步的

我們說阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型和訊號驅動IO模型都是同步的IO模型。原因是因為，無論以上那種模型，真正的資料拷貝過程，都是同步進行的。

訊號驅動難道不是非同步的麼？ 訊號驅動，核心是在資料準備好之後通知程式，然後程式再通過recvfrom操作進行資料拷貝。我們可以認為資料準備階段是非同步的，但是，資料拷貝操作是同步的。所以，整個IO過程也不能認為是非同步的。

我們把釣魚過程，可以拆分為兩個步驟：1、魚咬鉤（資料準備）。2、把魚釣起來放進魚簍裡（資料拷貝）。無論以上提到的哪種釣魚方式，在第二步，都是需要人主動去做的，並不是魚竿自己完成的。所以，這個釣魚過程其實還是同步進行的。

燒水的報警器一響，整個燒水過程就完成了。水已經是開水了。

釣魚的報警器一響，只能說明魚兒已經咬鉤了，但是還沒有真正的釣上來。

所以，使用帶有報警器的水壺燒水，燒水過程是非同步的。

而使用帶有報警器的魚竿釣魚，釣魚的過程還是同步的。

非同步IO模型

我們釣魚的時候，採用一種高科技釣魚竿，即全自動釣魚竿。可以自動感應魚上鉤，自動收竿，更厲害的可以自動把魚放進魚簍裡。然後，通知我們魚已經釣到了，他就繼續去釣下一條魚去了。

對映到Linux作業系統中，這就是非同步IO模型。應用程式把IO請求傳給核心後，完全由核心去操作檔案拷貝。核心完成相關操作後，會發訊號告訴應用程式本次IO已經完成。

使用者程式發起aio_read操作之後，給核心傳遞描述符、緩衝區指標、緩衝區大小等，告訴核心當整個操作完成時，如何通知程式，然後就立刻去做其他事情了。當核心收到aio_read後，會立刻返回，然後核心開始等待資料準備，資料準備好以後，直接把資料拷貝到使用者控制元件，然後再通知程式本次IO已經完成。

這種方式的釣魚，無疑是最省事兒的。啥都不需要管，只需要交給魚竿就可以了。