NIO 看破也说破（三）—— 不同的 IO 模型

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发布于: 2020 年 05 月 11 日

上两节我们提到了 select 和 poll 函数，查看 man 手册：


SELECT(2)                   Linux Programmer's Manual                     SELECT(2)
NAME       select, pselect, FD_CLR, FD_ISSET, FD_SET, FD_ZERO - synchronous I/O multiplexing

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POLL(2)                  Linux Programmer's Manual                         POLL(2)
NAME       poll, ppoll - wait for some event on a file descriptor
SYNOPSIS       #include <poll.h>

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synchronous I/O multiplexing 中文解释是同步的多路复用，因此 select 是一个同步的 I/O 多路复用模式。Unix 共五种 I/O 模型：

阻塞 I/O
非阻塞 I/O
I/O 多路复用
信号驱动
异步 I/O

信号驱动和真正的异步 I/O 并不常用，我们重点说一下前三个。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核 IO 操作的方式：阻塞是指 IO 操作需要彻底完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指 IO 操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到 IO 操作彻底完成

阻塞 I/O

ServerSocket server = new ServerSocket(8080);while (true) {  Socket socket = server.accept();  System.out.println("链接端口：" + socket.getPort());  InputStream inputStream = socket.getInputStream();  BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));  String str = null;  while ((str = reader.readLine()) != null) {    System.out.println("接受：" + str);    socket.getOutputStream().write("ok\n".getBytes());    socket.getOutputStream().flush();    if ("over".equals(str)) {      System.out.println("要关闭了");      socket.close();      break;    }  }  System.out.println("===========");}

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当有数据获取时，用户线程要释放 cpu，直到数据由内核处理完成，整个过程用户线程是阻塞的。

阻塞IO

用户线程调用内核 IO 操作，需要等 IO 彻底完成后才返回到用户空间，因此是阻塞 IO

非阻塞 I/O

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));serverSocketChannel.configureBlocking(false);while (true) {  SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();  if (socketChannel == null) {    System.out.println("没有链接 ");    continue;  }  System.out.printf("新链接，端口是 %s", ((InetSocketAddress) socketChannel.                                   getRemoteAddress()).getPort());  ByteBuffer ds = ByteBuffer.allocate(10);  socketChannel.read(ds);  System.out.println("接受数据");}

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非阻塞IO

IO 操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到 IO 操作彻底完成，因此是非阻塞的。（用户线程不因为 I/O 还未到达，一直傻傻的等待，而是需要不断去问内核是否有可用的数据。在准备就绪的情况下获取数据。）

补充一个 gif（刷新查看）：

I/O 多路复用

非阻塞 IO 中需要用户线程在每个 IO 通路上，各自不断轮询 IO 状态，来判断是否有可处理的数据。如果把一个连接的可读可写事件剥离出来，使用单独的线程来对其进行管理。多个 IO 通路，都复用这个管理器来管理 socket 状态，这个叫 I/O 多路复用。

多路复用

多路复用在内核中提供了 select，poll，epoll 三种方式：

select

原理示意

select

特点

只能处理有限（不同系统参数：1024/2048）个 socket

select 监控 socket 时不能准确告诉用户是哪个 socket 有可用数据，需要轮询判断

poll

原理示意

poll

特点

与 select 没区别

采用链表实现，取消了文件个数的限制

epoll

原理示意

epoll

epoll_wait 直接检查链表是不是空就知道是否有文件描述符准备好了

fd 上的事件发生时，与它对应的回调函数就会被调用把 fd 加入链表，其他处于“空闲的”状态的则不会被加入

epoll 从上面链表中获取有事件发生的 fd

epoll 准确的表述应该是 I/O 事件通知器：

EPOLL(7)               Linux Programmer's Manual                EPOLL(7)
NAME       epoll - I/O event notification facility
SYNOPSIS       #include <sys/epoll.h>

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特点

没有最大连接限制

可以直接告诉用户程序哪一个，哪个连接有数据了

epoll 详细的介绍可以参考我的专辑 http://mp.weixin.qq.com/mp/homepage?__biz=MzI3MDYwOTYwOA==&hid=2&sn=b7d5d6aa0b9f18c382a97f146c02b540&scene=18#wechat_redirect 中的第二篇文章《读懂才会用：Redis 源码系列》

同步异步的概念

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：

同步是指用户线程发起 IO 请求后需要等待或者轮询内核 IO 操作完成后才能继续执行；异步是指用户线程发起 IO 请求后仍继续执行，当内核 IO 操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

因此阻塞 I/O，非阻塞 I/O，I/O 多路复用，都属于同步调用。只有实现了特殊 API 的 AIO 才是异步调用，之后单开一篇讲解。

AIO(7)                         Linux Programmer's Manual               AIO(7)
NAME       aio - POSIX asynchronous I/O overview
DESCRIPTION       The  POSIX  asynchronous  I/O  (AIO)  interface  allows applications to initiate one or more I/O operations that are performed asyn‐       chronously (i.e., in the background).  The application can elect to be notified of completion of the I/O operation in a  variety  of       ways: by delivery of a signal, by instantiation of a thread, or no notification at all.

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