Linux的五种IO模型

在linux中，对于一次读取IO请求（不仅仅是磁盘，还有网络）的 *** 作，数据并不会直接拷贝到用户程序的用户空间缓冲区。它首先会被拷贝到 *** 作系统的内核空间，然后才会从 *** 作系统内核的缓冲区拷贝到用户空间的缓冲区。

大概是这个样子。

从图中可以看见，这是分四步进行的，而这四步里面有些细节，就有了这5种IO模型

前四种为同步IO，后一种为异步IO，什么是同步异步可以看看我之前写的 同步与异步，阻塞与非阻塞 。

应用进程发起系统调用后就阻塞了，直到内核buffer拷贝到用户buffer，发出成功提示后才继续执行。

适用场景：并发量小的要及时响应的网络应用开发，JavaBIO。

优点：易于开发，不消耗CPU资源（线程阻塞），及时响应。

缺点：不适用与并发量大的网络应用开发，一个请求一个线程，系统开销大。

应用进程发起系统调用，内核立马返回一个自己当前的缓冲区的状态（错误或者说成功），假如

为错误则隔段时间再系统调用（轮询），直到返回成功为止。另外再说一点，有人说轮询之间可以设置一个时间，例如每几秒执行一次，然后在这段期间程序可以干自己的事情。（这个我不清楚是不是，虽然理论上可以实现，但是我觉得第一种与第二种的区别应该强调的是是否放弃CPU，第二种有点CAS+轮询这种轻量级锁的感觉，第一种就是那种重量级锁的感觉）。

适用场景：并发量小且不用技术响应的网络应用开发

优点：易于开发，可以在轮询的间断期间继续执行程序。

缺点：不适用与并发量大的网络应用开发，一个请求一个线程，系统开销大。消耗CPU资源（轮询），不及时响应。

将多个IO注册到一个复用器上（select，poll，epoll），然后一个进程监视所有注册进来的IO。

进程阻塞在select上，而不是真正阻塞在IO系统调用上。当其中任意一个注册的IO的内核缓冲区有了数据，select就会返回（告诉程序内核态缓存有数据了），然后用户进程再发起调用，数据就从内核态buffer转到用态buffer（这段期间也是要阻塞的）。

适用场景：并发量大且对响应要求较为高的网络应用开发，JavaNIO

优点：将阻塞从多个进程转移到了一个select调用身上，假如并发量大的话select调用是不易被阻塞的，或者说阻塞时间短的。

缺点：不易开发，实现难度大，当并发量小的时候还不如同步阻塞模型。

应用程序向内核注册一个信号处理程序，然后立即返回，当数据准备好了以后（数据到了内核buffer），内核个应用进程一个信号，然后应用进程通过信号处理程序发起系统调用，然后阻塞直达数据从内核buffer复制到用户buffer。

优点：将阻塞从多个进程转移到了一个select调用身上，假如并发量大的话select调用是不易被阻塞的，或者说阻塞时间短的。

缺点：不易开发，实现难度大。

以上四个IO模型都可以看出来，到最后用户进程都要在数据从内核buffer复制到用户buffer时阻塞，直到内核告诉进程准备成功。这就是同步进程，就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续 *** 作。

就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续 *** 作

这个就是直到数据copy完成到用户buffer才通知。

应用场景：Java AIO，适合高性能高并发应用。

优点：不阻塞，减少了线程切换，

缺点：难以实现，要 *** 作系统支持。

Linux中最常用的IO模型是同步IO，在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足条件为止。这是一种很好的解决方案，调用应用程序在等待IO完成的时候不需要占用CPU，但是在很多场景中，IO请求可能需要和CPU消耗交叠，以充分利用CPU和IO提高吞吐率。

下图描绘了异步IO的时序，应用程序发起IO *** 作后，直接开始执行，并不等待IO结束，它要么过一段时间来查询之前的IO请求完成情况，要么IO请求完成了会自动被调用与IO完成绑定的回调函数。

Linux的AIO有多种实现，其中一种实现是在用户空间的glibc库中实现的，本质上是借用了多线程模型，用开启的新的线程以同步的方式做IO，新的AIO辅助线程与发起AIO的线程以pthread_cond_signal()的形式进行线程间的同步，glibc的AIO主要包含以下函数：

1、aio_read()

aio_read()函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读 *** 作。这个文件描述符可以代表一个文件、套接字，甚至管道，aio_read()函数原型如下：

aio_read（）函数在请求进行排队之后就会立即返回（尽管读 *** 作并未完成），如果执行成功就返回0，如果出现错误就返回-1。参数aiocb（AIO I/O Control Block）结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO *** 作准备的用户空间缓冲区。在产生IO完成通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的IO *** 作。

2.aio_write()

aio_write()函数用来请求一个异步写 *** 作。函数原型如下：

aio_write（）函数会立即返回，并且它的请求以及被排队（成功时返回值为0，失败时返回值为-1）

3.aio_error()

aio_error()函数被用来确定请求的状态，其原型如下：

该函数的返回：

4.aio_return()

异步IO和同步阻塞IO方式之间有一个区别就是不能立即访问函数的返回状态，因为异步IO没有阻塞在read()调用上。在标准的同步阻塞read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。

但是在异步IO中，我们要用aio_return()函数，原型如下：

只有在aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功、也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数，aio_return()的返回值就等价于同步情况中read()或者write系统调用的返回值。

5.aio_suspend()

用户可以用该函数阻塞调用进程，直到异步请求完成为止，调用者提供了一个aiocb引用列表，其中任何一个完成都会导致aio_suspend()返回。函数原型如下：

6.aio_cancel()

该函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所以IO请求。

要取消一个请求，用户需要提供文件描述符和aiocb指针，如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回AIO_CANCELED。如果请求完成了，就会返回AIO_NOTCANCELED。

7.lio_listio()

lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用中启动大量的IO *** 作，原型如下：

mode参数可以是LIO_WAIT或者是LIO_NOWAIT。LIO_WAIT会阻塞这个调用，直到所有的IO都返回为止，若是LIO_NOWAIT模型，在IO *** 作完成排队之后，该函数就会返回。list是一个aiocb的列表，最大元素的个数是由nent定义的。如果list的元素为null，lio_listio（）会将其忽略。

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