网络I/O 介绍

介绍

网络应用需要处理解决的主要可以归为两大类问题：

1. 网络I/O
2. 数据计算

网络I/O的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，I/O可以理解为对流的操作。这个操作又分为两个阶段：

1. 等待流数据准备（wating for the data to be ready）
2. 从内核向进程复制数据（copying the data from the kernel to the process）

对于流而言：

• 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

概念

同步&&异步

可根据一个函数调用之后，是否直接返回结果来判断：

• 如果函数调用之后挂起了，直到获得了结果它才返回，这是同步的方式
• 如果函数调用之后马上返回，等数据到达再通知函数，这是异步的方式
  • 状态
  • 通知
  • 回调函数

阻塞&&非阻塞

• 函数如果让线程挂起不再往下执行，该函数是阻塞的

组合分析

举例：

去银行办理业务（存钱、取钱以及其他），假如我们有两种方式可以选择到达柜台办理业务

• 大家排成一条长队，银行依此按顺序给我们办理业务(同步)
• 我们打印一个单号，等银行通知改到我这个号码办理业务的时候，我们再去柜台(异步)

同步阻塞

• 效率最低
• 专心排队，排队期间不干其他任何事

异步阻塞

• 不用排队，等待通知号码（要自己去等），但是不能离开银行这个地方，要等待被通知。阻塞就阻塞在需要等待被通知，被通知之前不能离开

同步非阻塞

• 效率比较低
• 排队期间，还处理着别的事情，一边要看排没排到自己，一边还要忙别的

异步非阻塞

• 效率更高
• 不用排队，等待通知号码（不用自己等，到自己的号码了会有人来通知我们），期间可以做别的事情

解析

通常而言，同步阻塞，异步非阻塞。

什么情况是异步阻塞呢？

即函数调用之后并没有返回结果而注册了回调函数，非阻塞的情况下，函数也马上返回，可是如果此时函数不返回，那么此时就是阻塞的状态，等数据到达通知函数，依然是异步的过程。

模型分类

• 同步模型（synchronous I/O）
  • 阻塞I/O（bloking I/O）
  • 非阻塞I/O（non-blocking I/O）
  • 多路复用I/O（multiplexing I/O）
  • 信号驱动式I/O（signal-driven I/O）
• 异步I/O（asynchronous I/O）

阻塞I/O（bloking I/O）

在网络I/O的时候，进程发起recvform系统调用，然后进程就被阻塞了，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络I/O。

非阻塞I/O（non-bloking I/O）

在网络I/O时候，非阻塞I/O也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞I/O不一样，"非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 '被' CPU光顾"。

也就是说非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。

这个过程通常被称之为轮询。

轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

多路复用I/O（multiplexing I/O）

可以看出，由于非阻塞的调用，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间。

多路复用有两个特别的系统调用select或poll。select调用是内核级别的。

select轮询相对非阻塞的轮询的区别

select可以等待多个socket，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。

多路复用有两种阻塞，select或poll调用之后，会阻塞进程，与第一种阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。

多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待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。

对于监视的方式，又可以分为 select，poll，epoll三种方式。

异步I/O（asynchronous I/O）

相对于同步I/O，异步I/O不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。

I/O两个阶段，进程都是非阻塞的。