半小时搞懂 IO 模型

1. 背景

最近在折腾网络编程,发现 IO 模型这块比较模糊,翻了不少资料,这里总结分享下。 关键字:网络编程;IO模型

2. 前置知识一:内核态,用户态

想要弄懂 IO 模型,有一批前置知识需要掌握,首先是内核态和用户态的概念。 操作系统为了保护自己,设计了用户态、内核态两个状态。应用程序一般工作在用户态,当调用一些底层操作的时候(比如 IO 操作),就需要切换到内核态才可以进行。用户态和内核态的切换需要消耗一些资源,零拷贝技术就是通过减少用户态和内核态的转换来提高性能的。

3. 前置知识二:应用程序从网络中接收数据的大致流程

服务器从网络接收的大致流程如下:

  1. 数据通过计算机网络来到了网卡
  2. 把网卡的数据读取到 socket 缓冲区
  3. 把 socket 缓冲区读取到用户缓冲区,之后应用程序就可以使用了

核心就是两次读取操作,五大 IO 模型的不同之处也就在于这两个读取操作怎么交互。

4. 前置知识三:理解同步/异步、阻塞/非阻塞

同步/异步:这个是应用层面的概念,指的是调用一个函数,我们是等这个函数执行完再继续执行下一步,还是调完函数就继续执行下一步,另起一个线程去执行所调用的函数。关注的是线程间的协作。 阻塞/非阻塞,这个是硬件层面的概念,阻塞是指 cpu “被”休息,处理其他进程去了,比如IO操作,而非阻塞则是 cpu 仍然会执行,不会切换到其他进程。关注的是CPU会不会“被”休息,表现在应用层面就是线程会不会“被”挂起。 至于同步和阻塞有什么区别,异步和非阻塞有什么区别,其实这是不同层面的东西,不好相互比较的。在学习IO模型的过程中,千万别钻这个牛角尖。

5. 前置知识四:理解同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞、异步非阻塞

有很多 IO 模型的博客,会把同步/异步、阻塞/非阻塞两两组合,把IO模型分成四类。

初看其实很纳闷的,都异步了,还咋阻塞啊?

其实大可不必纠结这个,同步/异步、阻塞/非阻塞本身就是不同层面的东西,强行组合起来就是不好理解,甚至是错误的。

建议是抛开这个,直接去理解五大 IO 模型,千万别钻牛角尖。其实,真要分,也只能拆成两个维度分,而不是四个维度。 首先是按阻塞/非阻塞分:

然后是按同步/异步分:

6. 五大 IO 模型之:阻塞 IO

好了,如果掌握了前面提到的的这些前置知识,理解IO模型就稍微轻松点了,现在开始。

之前提了,应用程序从网络中接收数据的大致流程就是两步:

  1. 数据准备:等待网络数据,把网卡的数据读取到 socket 缓冲区
  2. 数据复制:把 socket 缓冲区的数据读取到用户态 Buffer,供应用程序使用

IO模型的不同之处也就在于这两个操作怎么交互,我们先看看阻塞IO模型

当应用程序发起 read 调用时,调用线程会阻塞住直到第一步读取操作的完成。 等第一步读取操作完成后,会将数据读取到用户态 Buffer 中,这个过程中调用线程仍然是阻塞的,直到数据复制完成,整个流程用图来表示就张这样:

这种 IO 模型的好处就是好理解,API 简单好上手,适用于连接数不多的网络应用。

7. 五大 IO 模型之:非阻塞 IO

当应用程序发起 read 调用时,如果没有数据可读,调用线程不会阻塞。但应用程序为了读到数据,就会一直循环调用,直到有数据可读。

等第一步读取操作完成后,第二步就和阻塞IO一样了。会将数据读取到用户态 Buffer 中,这个过程中调用线程仍然是阻塞的,直到数据复制完成,整个流程用图来表示就张这样:

这种 IO 模型的并没有特别好处,而且会一直循环调用底层的接口,性能堪忧,很少使用。

8. 五大 IO 模型之:信号驱动 IO

当应用程序发起 read 调用,注册一个handler,等待有数据后的回调。应用程序一旦被回调,就说明数据已经可以读取了,就会进行第二步操作,把数据读取到用户态 Buffer 中。同样,第二步仍然是阻塞的。

这种 IO 模型的好处就是相比于非阻塞IO,使用通知&回调机制减少了循环的开销,但是对于连接数多的场景,可能会因为信号队列溢出导致没法通知,用的不多。

9. 五大 IO 模型之:多路复用 IO

当应用程序发起 read 调用时,如果没有数据可读,调用线程不会阻塞,系统会把 socket 注册到一个“多路复用器”上,等到有数据了会把可读的socket加入队列,供应用层使用。

大概的代码如下:

java复制代码while (true) {
    if (selector.select(READ_KEY) > 0) { // selector 就是多路复用器,READ_KEY 大于 1 说明有可读的socket
        Set set = clientSelector.selectedKeys();
        Iterator keyIterator = set.iterator();
        while (keyIterator.hasNext()) { 
            SelectionKey key = keyIterator.next();
            if (key.isReadable()) {
                // 读取数据
            }
        }
    }
}

这种 IO 模型的好处是能够应对大量的连接,尤其适用于大量的短连接。现在大多数网络应用,底层采用的都是多路复用IO。

10. 五大 IO 模型之:异步 IO

异步IO 则和上面四种IO模型都不通,他是完完全全的异步,两步操作都不会阻塞。 应用程序发起 read 调用后,等收到回调通知,就可以去使用用户态 Buffer 的数据了,如下图所示。

11. 打个比方

打个个人认为很贴切的比方,帮助理解。

大家都去医院取过药吧,五种IO模型就像是不同的取药方式。

12. 可能会产生的疑问:

12.1 Java 的 nio 是对多路复用IO模型的实现,为什么叫非阻塞?

首先 Java 的 nio 包可以用来实现多路复用IO模型,也可以用来实现非阻塞IO模型,只不过非阻塞IO模型性能差没人用而已。 其次,nio 中的那个“n”是 new 的意思。当时 JDK 的开发者为了和老的io包做区分,才用nio 来表示的,并不是 nonblocking 的“n”,所以叫“新IO包”更准确,也不容易弄混。

12.2 select、poll、epoll有什么关系

select、poll、epoll 都是用来实现多路复用的,原理也都是通过遍历找到可读写的socket,区别在于

12.3 信号驱动 IO 和多路复用 IO 很难分辨

信号驱动 IO 的底层机制是事件通知,多路复用 IO 的底层机制是遍历+回调,只不过在应用层面包装成了事件而已。

13. 总结

从网卡中读取数据有两步:第一步是网卡到 socket 缓存区,第二步是从 socket 缓冲区到内核态。

IO 模型有五种:阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、多路复用IO、异步IO。

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页面更新:2024-05-20

标签:模型   遍历   缓冲区   线程   内核   应用程序   操作   通知   数据   用户

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