关于netty:浅聊Linux的五种IO模型

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在日常 Coding 中，多多少少都会接触到网络 IO，就会想要深刻理解一下。看了很多文章，总是云里雾里的感觉，直到读了《UNIX 网络编程 卷 1：套接字联网 API》中的介绍后，才恍然大悟。这里就给大家分享一下，如有不对，欢送指出。

1. 概念阐明

为了便于了解前面的内容，咱们先来理解一些概念。

1.1 Socket

Socket 中文翻译为套接字，是计算机网络中过程间进行双向通信的端点的形象。一个 Socket 代表了网络通信的一端，是由操作系统提供的过程间通信机制。

• 在操作系统中，通常会为应用程序提供一组利用程序接口，称为 Socket 接口（Socket API）。应用程序能够通过 Socket 接口，来应用网络 Socket，以进行数据的传输。
• 一个 Socket 由 IP 地址和端口组成，即：Socket 地址 = IP 地址 : 端口号。
• 在同一台计算机上，TCP 协定与 UDP 协定能够同时应用雷同的端口（Port），而互不烦扰。
• 要想实现网络通信，至多须要一对 Socket，其中一个运行在客户端，称之为 Client Socket；另一个运行在服务器端，称之为 Server Socket。
• Socket 之间的连贯过程能够分为三个步骤：（1）服务器监听；（2）客户端连贯；（3）连贯确认。

1.2 Socket 缓冲区

每个 Socket 被创立后，都会在内核中调配两个缓冲区：输出缓冲区和输入缓冲区。

• 通过 Socket 发送数据并不会立刻向网络中传输数据，而是先将数据写入到输入缓冲区中，再由 TCP 协定将数据从输入缓冲区发送到指标主机。
• 通过 Socket 接收数据也是如此，也是从输出缓冲区中读取数据，而不是间接从网络中读取。

1.3 用户空间、内核空间、零碎调用

操作系统的过程空间能够分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space），它们须要不同的执行权限。

• 大多数零碎交互式操作须要在内核空间中运行，比方设施 IO 操作。
• 咱们的利用程序运行在用户空间，是不具备零碎级的间接操作权限的。如果应用程序想要拜访系统核心性能，必须通过零碎调用（System Call）来实现。比方调用 recv() 函数，会将输出缓冲区中的内容拷贝到用户缓冲区。
• 零碎调用运行在内核空间，是操作系统为应用程序提供的接口。

上面列举了一些 Linux 操作系统中的零碎调用接口（局部函数前面章节会用到）：

• socketcall socket 零碎调用
• socket 建设 socket
• bind 绑定 socket 到端口
• connect 连贯近程主机
• accept 响应 socket 连贯申请
• send 通过 socket 发送信息
• sendto 发送 UDP 信息
• recv 通过 socket 接管信息
• recvfrom 接管 UDP 信息
• listen 监听 socket 端口
• select 对多路同步 IO 进行轮询
• shutdown 敞开 socket 上的连贯
• sigaction 设置对指定信号的解决办法

1.4 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞，用于形容调用者在期待返回后果时的状态。

• 阻塞：调用者发动申请后，会始终期待返回后果，这期间以后线程会被挂起（阻塞）。
• 非阻塞：调用者发动申请后，会立即返回，以后线程也不会阻塞。该调用不会立即失去后果，调用者须要定时轮询查看解决状态。

1.5 同步与异步

而同步与异步，用于形容调用后果的返回机制（或者叫通信机制）。

• 同步：调用者发动申请后，会始终期待返回后果，即由调用者被动期待这个调用后果。
• 异步：调用者发动申请后，会立即返回，但不会立即失去这个后果，而是由被调者在执行完结后被动告诉（如 Callback）调用者。

2. 五种 IO 模型

IO 模型是指：用什么样的通道或者说是通信模式进行数据的传输，这很大程序上决定了程序通信的性能。

Linux 零碎为咱们提供五种可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路复用模型、信号驱动 IO 模型和异步 IO 模型。

2.1 阻塞式 IO 模型

阻塞式 IO（Blocking IO）：利用过程从发动 IO 零碎调用，至内核返回胜利标识，这整个期间是处于阻塞状态的。

2.2 非阻塞式 IO 模型

非阻塞式 IO（Non-Blocking IO）：利用过程能够将 Socket 设置为非阻塞，这样利用过程在发动 IO 零碎调用后，会立即返回。利用过程能够轮询的发动 IO 零碎调用，直到内核返回胜利标识。

2.3 IO 多路复用模型

IO 多路复用（IO Multiplexin）：能够将多个利用过程的 Socket 注册到一个 Select（多路复用器）上，而后应用一个过程来监听该 Select（该操作会阻塞），Select 会监听所有注册进来的 Socket。只有有一个 Socket 的数据筹备好，就会返回该 Socket。再由利用过程发动 IO 零碎调用，来实现数据读取。

2.4 信号驱动 IO 模型

信号驱动 IO（Signal Driven IO）：能够为 Socket 开启信号驱动 IO 性能，利用过程需向内核注册一个信号处理程序，该操作并立刻返回。当内核中有数据筹备好，会发送一个信号给利用过程，利用过程便能够在信号处理程序中发动 IO 零碎调用，来实现数据读取了。

2.5 异步 IO 模型

异步 IO（Asynchronous IO）：利用过程发动 IO 零碎调用后，会立刻返回。当内核中数据齐全筹备后，并且也复制到了用户空间，会产生一个信号来告诉利用过程。

3. 总结

从上述五种 IO 模型能够看出，利用过程对内核发动 IO 零碎调用后，内核会通过两个阶段来实现数据的传输：

• 第一阶段：期待数据。即利用过程发动 IO 零碎调用后，会始终期待数据；当有数据传入服务器，会将数据放入内核空间，此时数据筹备好。
• 第二阶段：将数据从内核空间复制到用户空间，并返回给应用程序胜利标识。

前四种模型的第二阶段是雷同的，都是处于阻塞状态，其次要区别在第一阶段。而异步 IO 模型则不同，利用过程在这两个阶段是齐全不阻塞的。

参考资料

• UNIX 网络编程 卷 1：套接字联网 API

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