网络io模型总结

操作系统基本概念

首先来来说下操作系统，嗯，操作系统是计算机硬件的管理软件，是对计算机硬件的抽象，操作系统将应用程序分为用户态和内核态，例如驱动程序就位于内核态，而我们写的一般程序都是用户态，包括web服务器这些，应用程序无法直接操控硬件，只能通过系统调用，通过操作系统驱动io硬件，通过操作系统管理进程。

接下来说下文件的概念，在操作系统中，文件是对i/o的一种抽象，文件大体包括三类

普通的文件：包括二进制文件和文本文件

目录：就是普通文件的一组链表

套接字文件:用来与另一个进程进行跨网络通信的文件

套接字文件就是通常说的socket，还有值得注意的是无论打开什么文件，内核都会返回给应用程序一个文件描述符。当关闭文件后，内核释放资源，同时回收文件描述符。

进程的内存模型

每个进程都有独立的上下文，它拥有完整的虚拟内存空间。

CPU执行进程，总是在不断对进程的切换中，这种叫时分复用，而且时间很快，从而让人有一种进程并行的感觉，即单个cpu在一个时刻只能做一件事

I/O流程

说下应用程序读文件的大致流程（写文件也差不多），当一个进程想要向磁盘或者接受网络数据时，它会先发起系统调用（可以通过异常等方式），然后将程序控制权交给操作系统，

操作系统向指定的文件发起读的操作，返回给程序一个文件操作符，然后接下来就是比较有意思的地方了，因为文件读出来是需要时间的，文件读出来后会存到内核的缓冲区中（DMA），然后中断提醒CPU，CPU再由内核缓冲区读取到用户进程中，在这个过程中，这段时间里，用户进程可以有阻塞，非阻塞，同步，异步各种状态

linux的I/O模型

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO可以理解为对流的操作。对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

对于socket流而言，

第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

linux的五种网络i/o模型

同步的概念就是在数据复制到用户进程的这段时间内，用户进程是不干活

异步是在这段时间内，用户进程会继续执行它后续的工作

先在同步异步的基础上进行简单的分类

同步模型（synchronous IO）

阻塞IO（bloking IO）
非阻塞IO（non-blocking IO）
多路复用IO（multiplexing IO）
信号驱动式IO（signal-driven IO）

异步IO（asynchronous IO）

接下来进行分类的介绍

阻塞I/O

阻塞i/o就是整个过程用户进程都是阻塞，它发起系统调用后就被挂起了，直到数据被搬运到缓冲区中，然后数据从缓冲区读进用户进程，它才被唤醒，真个过程它都处于挂起状态（什么都不干）

非阻塞i/o

用户进程发起系统调用后，它没有被挂起，而是继续执行，但它要不断轮询看数据是否运到内核了，数据到了内核后，用户进程将数据从内核读取到用户进程

多路复用I/O

多路复用I/O比较复杂，它整个过程也是阻塞的，但不同的是它可以阻塞多个i/o，同时阻塞多个socket连接，有epoll,，poll,select等，epoll是linux最高效的，多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。

select,poll,epoll都是内核状态的函数调用

用户进程发起系统调用后，处于挂起状态，同时监听多个socket连接，只要有其中有一个数据到达内核，用户进程就被唤醒工作，然后将数据从内核读取到用户进程，其实就是由epoll，select同时监听多个io对象，当io对象发生变化的时候，就通知用户进程读写数据，进行操作

即多个io对象复用一个进程，这样可以很充分的利用阻塞的这段时间

IO多路复用是同步阻塞模式

异步驱动I/O

这个理论上是最好的，但在linux系统中很难实现

信号驱动i/o

这个很少使用到

异步IO

异步io在linux中很难实现，但也有一种模拟异步io的方法即多线程和同步阻塞io进行模拟，设置一个主线程，用其它线程进行同步io操作，当io完成时通知主线程去读取进程中的数据，进行后续操作，因为是同一个进程，所以可以共享内存资源。进而实现类似异步io的效果，在linux中有libev,libeio这样的异步io实现库，而在windows，则使用了iocp,可以说异步io的核心就是在子线程上执行io操作，在执行完毕后通知调用者提取相关数据。只不过linux是用户层的线程池，而iocp是内核的线程池。

Node模型

首先说下常见的模型要么是单进程多线程，要么是多进程单线程，node是属于后者

node中最重的就是包含了libuv这个，node的所有io操作都是通过它来实现的，libuv实现了异步IO，libuv中包含一个事件队列（可以理解为就是主线程），如果是网络io，它会使用epoll这种io多路复用的方式(在linux中)对io进行处理，而对于磁盘的io操作，它会采用多线程+阻塞io的方式进行io操作，它读写完数据后就将数据返回给js引擎。从而实现io操作。

最后提一点epoll这种io多路复用模型使用的很广，redis,nginx,都不同程度使用了它，它2者也可以归为多进程单线程这种模型。