Linux 网络编程的5种IO模型：阻塞IO与非阻塞IO

背景

整理之前学习socket编程的时候复习到了多路复用，搜索了有关资料，了解到多路复用也有局限性，本着打破砂锅问到底的精神，最终找到了关于IO模型的知识点。

在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型，分别是：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。

我们在这里就介绍并实现这5种模型。介绍之前，请允许我引用某段比喻

阻塞IO, 给女神发一条短信, 说我来找你了, 然后就默默的一直等着女神下楼, 这个期间除了等待你不会做其他事情, 属于备胎做法.

非阻塞IO, 给女神发短信, 如果不回, 接着再发, 一直发到女神下楼, 这个期间你除了发短信等待不会做其他事情, 属于专一做法.

IO多路复用, 是找一个宿管大妈来帮你监视下楼的女生, 这个期间你可以些其他的事情. 例如可以顺便看看其他妹子,玩玩王者荣耀, 上个厕所等等. IO复用又包括 select, poll, epoll 模式. 那么它们的区别是什么?

1） select大妈 每一个女生下楼, select大妈都不知道这个是不是你的女神, 她需要一个一个询问, 并且select大妈能力还有限, 最多一次帮你监视1024个妹子

2） poll大妈不限制盯着女生的数量, 只要是经过宿舍楼门口的女生, 都会帮你去问是不是你女神

3） epoll大妈不限制盯着女生的数量, 并且也不需要一个一个去问. 那么如何做呢? epoll大妈会为每个进宿舍楼的女生脸上贴上一个大字条,上面写上女生自己的名字, 只要女生下楼了, epoll大妈就知道这个是不是你女神了, 然后大妈再通知你.

上面这些同步IO有一个共同点就是, 当女神走出宿舍门口的时候, 你已经站在宿舍门口等着女神的, 此时你属于阻塞状态

接下来是异步IO的情况：

你告诉女神我来了, 然后你就去打游戏了, 一直到女神下楼了, 发现找不见你了, 女神再给你打电话通知你, 说我下楼了, 你在哪呢? 这时候你才来到宿舍门口。此时属于逆袭做法

阻塞IO 与非阻塞IO

在Linux 系统编程中，我们在有关概念章节中介绍了阻塞的概念。那么也很容易理解什么是阻塞IO与非阻塞IO。直接看图

阻塞IO

最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。

%% 时序图
sequenceDiagram
title : 阻塞IO
participant application
participant kernel

Note right of application: 应用程序调用系统调用

application ->> kernel: recv()
kernel ->> kernel: 判断数据是否就绪（否则等待）
kernel ->> kernel: 准备好数据，拷贝到用户空间
kernel ->> application: 拷贝完成，唤醒应用程序

代码如下：

	printf("Calling recv(). \n");
	ret =  recv(socket, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);
	printf("Had called recv(). \n");

也许有人会说，可以采用多线程+ 阻塞IO 来解决效率问题，但是由于在多线程 + 阻塞IO 中，每个socket对应一个线程，这样会造成很大的资源占用，并且尤其是对于长连接来说，线程的资源一直不会释放，如果后面陆续有很多连接的话，就会造成性能上的瓶颈。

非阻塞IO

当用户线程发起一个IO操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送IO操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

%% 时序图
sequenceDiagram
title : 非阻塞IO
participant application
participant kernel

Note right of application: 应用程序调用系统调用

application ->> kernel: fread
kernel ->> kernel: 数据未就绪
kernel ->> application: 返回EAGAIN
application ->> application: 判断返回值
application ->> kernel: fread

kernel ->> kernel: 准备好数据，拷贝到用户空间
kernel ->> application: 拷贝完成，返回成功

代码如下：

while(1)
{
	printf("Calling recv(). \n");
	ret =  recv(socket, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);
	if (EAGAIN == ret) {continue;}
    else if(ret > -1) { break;}
	printf("Had called recv(), retry.\n");
}