阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

时间：2022-08-01 22:41:30

I/O模型

Linux 下的五种I/O模型

  • 阻塞I/O（blocking I/O）
  • 非阻塞I/O （nonblocking I/O）
  • I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）
  • 信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）
  • 异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

前四种都是同步，只有最后一种才是异步IO。

Winsock的异步IO模型有下面六种

  • select选择模型
  • WSAAsyncSelect 异步选择模型
  • WSAEventSelect 事件选择模型
  • Overlapped I/O 事件通知模型
  • Overlapped I/O 完成例程模型
  • IOCP模型

Linux 的几种I/O模型介绍：

阻塞I/O模型：

简介：进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成 
应用程序调用一个IO函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。 如果数据没有准备好，一直等待….数据准备好了，从内核拷贝到用户空间,IO函数返回成功指示。

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

可能阻塞套接字的Windows Sockets API调用分为以下四种:

1．输入操作： recv()、recvfrom()、WSARecv()和WSARecvfrom()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数接收数据。如果此时套接字缓冲区内没有数据可读，则调用线程在数据到来前一直睡眠。

2．输出操作： send()、sendto()、WSASend()和WSASendto()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数发送数据。如果套接字缓冲区没有可用空间，线程会一直睡眠，直到有空间。

3．接受连接：accept()和WSAAcept()函数。以阻塞套接字为参数调用该函数，等待接受对方的连接请求。如果此时没有连接请求，线程就会进入睡眠状态。

4．外出连接：connect()和WSAConnect()函数。对于TCP连接，客户端以阻塞套接字为参数，调用该函数向服务器发起连接。该函数在收到服务器的应答前，不会返回。这意味着TCP连接总会等待至少到服务器的一次往返时间。

非阻塞I/O模型

简介：非阻塞IO通过进程反复调用IO函数（多次系统调用，并马上返回）；在数据拷贝的过程中，进程是阻塞的；

我们把一个SOCKET接口设置为非阻塞就是告诉内核，当所请求的I/O操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误。这样我们的I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。在这个不断测试的过程中，会大量的占用CPU的时间。

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

非阻塞套接字在控制建立的多个连接，在数据的收发量不均，时间不定时，明显具有优势。这种套接字在使用上存在一定难度，但只要排除了这些困难，它在功能上还是非常强大的。

I/O复用模型

简介：主要是select和epoll；对一个IO端口，两次调用，两次返回，比阻塞IO并没有什么优越性；关键是能实现同时对多个IO端口进行监听；

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

信号驱动I/O模型

简介：两次调用，两次返回；

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

异步I/O模型

简介：数据拷贝的时候进程无需阻塞。 
当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

5种I/O模型的比较：

阻塞与非阻塞、同步与异步 I/O模型

Windows I/O模型介绍

网上有个比喻很好的说明这些模型，在这里引用一下。 
老陈有一个在外地工作的女儿，不能经常回来，老陈和她通过信件联系。他们的信会被邮递员投递到他们的信箱里。

select模型

老陈非常想看到女儿的信。以至于他每隔10分钟就下楼检查信箱，看是否有女儿的信~~~~~ 
在这种情况下，“下楼检查信箱”然后回到楼上耽误了老陈太多的时间，以至于老陈无法做其他工作。

WSAAsyncSelect模型

后来，老陈使用了微软公司的新式信箱。这种信箱非常先进，一旦信箱里有新的信件，盖茨就会给老陈打电话：喂，大爷，你有新的信件了！从此，老陈再也不必频繁上下楼检查信箱了，牙也不疼了，你瞅准了，蓝天……不是，微软~~~~~~~~

WSAEventSelect模型

后来，微软的信箱非常畅销，购买微软信箱的人以百万计数……以至于盖茨每天24小时给客户打电话，累得腰酸背痛，喝蚁力神都不好使~~~~~~ 
微软改进了他们的信箱：在客户的家中添加一个附加装置，这个装置会监视客户的信箱，每当新的信件来临，此装置会发出“新信件到达”声，提醒老陈去收信。盖茨终于可以睡觉了。

Overlapped I/O 事件通知模型

后来，微软通过调查发现，老陈不喜欢上下楼收发信件，因为上下楼其实很浪费时间。于是微软再次改进他们的信箱。新式的信箱采用了更为先进的技术，只要用户告诉微软自己的家在几楼几号，新式信箱会把信件直接传送到用户的家中，然后告诉用户，你的信件已经放到你的家中了！老陈很高兴，因为他不必再亲自收发信件了！

Overlapped I/O 完成例程模型

老陈接收到新的信件后，一般的程序是：打开信封—-掏出信纸—-阅读信件—-回复信件……为了进一步减轻用户负担，微软又开发了一种新的技术：用户只要告诉微软对信件的操作步骤，微软信箱将按照这些步骤去处理信件，不再需要用户亲自拆信/阅读/回复了！老陈终于过上了小资生活！

IOCP模型

微软信箱似乎很完美，老陈也很满意。但是在一些大公司情况却完全不同！这些大公司有数以万计的信箱，每秒钟都有数以百计的信件需要处理，以至于微软信箱经常因超负荷运转而崩溃！需要重新启动！微软不得不使出杀手锏…… 
微软给每个大公司派了一名名叫“Completion Port”的超级机器人，让这个机器人去处理那些信件！

其实，上面每种模型都有优点，要根据程序需求而适当选择合适的模型，前面三种模型效率已经比较高，实现起来难道不大，很多一般的网络程序都采用前三种模型，只有对网络要求特别高的一些服务器才会考虑用后面的那些模型。MFC中的CAsyncSocket类就是用的WSAAsyncSelect模型，电驴中也是用的这种，不过在寻找对应socket的时候进行了优化，查找更快，在GridCast中采用的是WSAEventSelect模型，等待。

Java的I/O模型

OIO

OIO 就是同步I/O，

NIO

在JDK 1.4版本之后才开始支持异步IO，其实NIO也是使用操作系统的IO模型，但在各操作系统上的实现方式也不太一样

在Windows系统使用的是Select模型，而不是性能更高的IOCP，原因就是并非所有Windows都支持IOCP，IOCP在windows NT 3.5中被引入，只支持WindowsNT和windows 2000。（参考：http://www.cnblogs.com/jobs/archive/2006/11/22/568023.html）

在Linux系统上使用的是多路复用IO，JDK 6之前用的是poll模型，JDK 7中使用epoll。（参考：http://www.cnblogs.com/jobs/archive/2006/11/22/568022.html）

AIO

JDK 7中出现了AIO，其实AIO就是NIO的增强版，因为JDK 6之前用的是poll，JDK 7用的是epoll，而epoll就是poll的增强版。

参考资料：

http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390

Java NIO和操作系统I/O模型 
http://wugc.iteye.com/blog/986997

IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇） 
http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

Java NIO原理 图文分析及代码实现 
http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656

Java IO模型 
http://blog.csdn.net/shanpengfei77/article/details/8161077

Windows I/O模型、同步/异步、阻塞/非阻塞 
http://www.linuxnote.org/windows-i-o-model-synchronous-asynchronous-blocking-non-blocking.html

啦啦啦

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