5种IO模型学习笔记 | 青训营
要了解5种IO模型，首先要明白IO操作会导致操作系统在用户态和内核态之间来回切换。
为了避免用户应用导致冲突甚至内核崩溃，用户应用与内核是分离的：
- 进程的寻址空间会划分为两部分：内核空间、用户空间
- 用户空间只能执行受限的命令，而且不能直接调用系统资源，必须通过内核提供的接口来访问
- 内核空间可以执行特权命令，调用一切系统资源
Linux系统为了提高IO效率，会在用户空间和内核空间都加入缓冲区：
- 写数据时，要把用户缓冲数据拷贝到内核缓冲区，然后写入设备
- 读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后拷贝到用户缓冲区
一、阻塞式IO（ Blocking IO）
阻塞IO在两个阶段都会等待数据。
阶段一：
阶段二：
二、非阻塞式IO（New/No Blocking IO）
非阻塞IO操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。
阶段一：
阶段二：
非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞，第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且忙等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。
三、IO多路复用
无论是阻塞IO还是非阻塞IO，用户应用在一阶段都需要调用recvfrom方法来获取数据，差别在于无数据时的处理方案：
- 如果调用recvfrom时，恰好没有数据，阻塞IO会使CPU阻塞，非阻塞IO使CPU空转，都不能充分发挥CPU的作用。
- 如果调用recvfrom时，恰好有数据，则用户进程可以直接进入第二阶段，读取并处理数据
而在单线程情况下，只能依次处理IO事件，如果正在处理的IO事件恰好未就绪（数据不可读或不可写），线程就会被阻塞，所有IO事件都必须等待，性能自然会很差。
IO多路复用是利用单个线程来同时监听多个IO事件，并在某个事件可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。不过监听IO事件的方式、通知的方式又有多种实现，常见的有：
- select
- poll
- epoll
四、信号驱动
- 信号驱动IO是与内核建立SIGIO的信号关联并设置回调，当内核有IO事件就绪时，会发出SIGIO信号通知用户，期间用户应用可以执行其它业务，无需阻塞等待。
- 当有大量IO操作时，信号较多，SIGIO处理函数不能及时处理可能导致信号队列溢出，而且内核空间与用户空间的频繁信号交互性能也较低。
五、异步IO（Asynchronous IO）
异步IO的整个过程（两个阶段）都是非阻塞的，用户进程调用完异步API后就可以去做其它事情，内核等待数据就绪并拷贝到用户空间后才会递交信号，通知用户进程。
六、关于5种模型的对比
1、IO操作是同步还是异步，关键看数据在内核空间与用户空间的拷贝过程（数据读写的IO操作），也就是阶段二是同步还是异步：
2、一个简单的例子比较5种IO模型
假设你现在是个大厨（炖个老母鸡汤，切点土豆丝/姜丝/葱丝）：
- 同步/阻塞：你站在锅边，一直等到汤炖好，期间不能做其他事情，直到汤炖好才去处理其他任务。
- 同步/非阻塞：你不断地查看锅里的汤，看是否炖好。在检查的间隙，你可以处理其他任务，如切菜。但你需要不断地切换任务，确保汤炖好了就可以处理。
- 异步/信号驱动：你给锅安装一个传感器，当汤炖好时，传感器会发出信号提醒你。在此期间，你可以处理其他任务，而不用担心错过汤炖好的时机。
- 异步 I/O：你请了一个助手，让他负责炖汤。当汤炖好时，助手会通知你。你可以专心处理其他任务，而无需关心炖汤的过程。
七、笔记总结
简单总结一下，IO 模型主要有五种：阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用、信号驱动和异步 I/O。
- 阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，会一直等待数据传输完成，期间无法执行其他任务。
- 非阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，如果数据未准备好，立即返回错误状态，不等待数据传输完成，可执行其他任务。
- 多路复用：允许一个线程同时管理多个 I/O 连接，适用于高并发、低延迟和高吞吐量场景，减少线程数量和上下文切换开销。
- 信号驱动：依赖信号通知应用程序 I/O 事件，适用于低并发、低延迟和低吞吐量场景，需要为每个 I/O 事件创建信号和信号处理函数。
- 异步 I/O：应用程序发起 I/O 操作后，内核负责数据传输过程，完成后通知应用程序。应用程序无需等待数据传输，可执行其他任务。
Redis在处理操作命令的线程中就使用的是IO多路复用模型，也就是使用单个线程去处理多个Socket连接，当操作命令就绪后，将IO事件转发给三个处理器去异步执行。Redis的单线程能够处理很高并发量请求与IO多路复用模型有着密切关系。
