五種Linux IO模型+同步異步，阻塞非阻塞，再也不怕頭條面試官掛我了

背景

小K在面試中被頭條面試官問了五種IO模型，只是含糊的回答了；頭條面試官一臉不滿意的回答，你回去花兩小時認真看看吧，保證你有收穫，最後，當然就是面試不通過了，所以在面試中，IO模型是非常常見的問題，我們需要理解IO模型的分類，特點，爲什麼有這種模型。

首先記住從245原則去講解，2代表兩類；第一類有4個名詞，代表阻塞，非阻塞，同步，異步；第二類有5個名詞，代表阻塞IO，非阻塞IO，IO多路複用，信號驅動IO，異步IO

第一類

瞭解第一類之前，我們需要先了解一個IO操作做了什麼事情，對於熟悉第一類的大佬，可以跳過第一類，去了解第二類IO模型

linux系統分爲用戶態和內核態，發起一個IO操作的過程分類兩步：

1. 用戶態的線程發起IO操作，那就要等內核準備好數據

2. 內核態準備好數據後，用戶態喚醒，把數據從內核拷貝到用戶的線程緩衝區中

1. 阻塞

容易記的關鍵詞：線程停了；阻塞的意思就是用戶的線程發起一個IO操作，線程就停止了，直到等待內核準備好數據，線程才能繼續運行

2. 非阻塞

容易記的關鍵詞：線程還能動；非阻塞的意思就是用戶的線程發起一個IO操作，線程沒有停止，還可以繼續做其他事情，也就是說線程通知內核IO操作後，繼續去做其他事情了

3. 同步

容易記的關鍵詞：直到整個操作完成；同步的意思可以理解爲做一件事件，必須等到了結果，才能繼續做其他事情，那麼對於IO操作，線程是需要做完了第一步等操作和第二部數據拷貝的操作，才能繼續做其他的事情

4. 異步

容易記的關鍵詞：不需要整個操作完成；異步的意思可以理解爲做一件事情，通知開始做後，便可以做其他事情了，系統會幫我們做完剩下的事情，那麼對於IO操作，線程只需要通知IO操作開始，就可以做其他操作了，最後內核會幫我們做完兩件事情，等數據準備和數據拷貝

第二類

現在便來介紹IO模型了，每個IO模型都有其特點，不斷進化

1. 阻塞IO

看到阻塞IO，大家應該有印象了吧，那就是關鍵字：線程停了

應用的進程調用IO操作後，一直等到內核準備好數據，然後將數據從內核複製到用戶的進程緩衝區，最後才能進行其他操作

 

場景描述：

小K需要跑一個程序，第一步需要編譯，編譯完成後，第二步再運行程序；阻塞IO場景就是小k編譯程序後，一直盯着編譯過程，等到編譯完成後，就立刻運行編譯好的程序；這樣是不是不能做其他事情了，而且運行程序也無延遲

優點：

1. 不消耗CPU，發起IO後，進程就阻塞了，所以不消耗CPU

1. 能夠及時返回數據，無延遲

缺點：

1. 進程不能進行其他操作，因爲等待數據和準備好數據是需要時間的，如果能夠不阻塞，那便可以進行其他的IO發起操作等

2. 性能較低

2. 非阻塞IO

針對阻塞IO，是不是可以優化一下，在阻塞的時候，去做一下其他事情，然後在看數據有沒有準備好；所以整個操作可以看作，發起IO操作後，不進行阻塞，而是不斷主動去輪詢內核，看數據是不是準備好了，數據準備好後，就可以進行拷貝了

 

場景描述：

小K編譯程序的時候，去寫一下代碼，然後回來看編譯過程，重複這個過程，直到程序編譯好，然後再運行程序

優點：

在等待任務完成的時候，還可以去做其他事情，提高CPU使用率

缺點：

1. 任務存在延遲，因爲定時輪詢，可能輪詢不及時

2. 消耗CPU，因爲定時去輪詢時，進程不是阻塞態，是運行狀態，所以是消耗CPU的，如果多個進程都定時輪詢，CPU消耗是很大的

3. IO 多路複用

針對與非阻塞IO，多個進程都進行輪詢的話，系統需要進程資源，也消耗CPU，所以支撐不了很多的IO操作，這樣便出現了IO多路複用；我們可以把多個IO操作註冊到IO複用的函數（select，poll，epoll）中，這樣便可以由一個系統調用去監聽多個IO，等到有一個或多個IO操作的數據就緒後，系統調用就會立刻去通知用戶態，用戶再進行該就緒IO的數據拷貝操作

 

場景描述：

小K一下需要編譯10個程序，如果每個定時去看，得查看10次，很麻煩；聰明的小K便寫了一個腳本，需要編譯一個程序，就往腳本配置文件註冊該編譯程序的信息；腳本運行時，如果發現有編譯完成的程序，立刻告訴小K，美滋滋，可以運行該程序了，運行完程序後，又盯着腳本看，如果再有編譯好的程序，再運行。。。

優點：

1. 支持高數量的IO操作，適用於高併發的場景

2. 系統開銷小，一個進程做多個IO操作

缺點：

1. 該模型還是同步模型，整個操作（等待數據和拷貝數據）都需要用戶進程去完成

2. 在IO沒有就緒的情況下，會阻塞進程

4. 信號驅動IO

在IO多路複用中，優點還是挺多的了，但是針對缺點1阻塞，和更好的針對網路協議，便有了信號驅動IO；信號驅動IO會安裝好信號處理函數（可以理解爲數據拷貝），進程發起信號驅動IO時，就立刻收到返回，便可以做其他事情了，等內核準備好數據時，便通知信號處理函數，信號處理函數便進行數據拷貝的操作

但是信號驅動IO適用於UDP協議，而不適用於TCP協議，因爲UDP收到數據包時，纔會產生信號，而TCP不同，三次握手，四次揮手，心跳檢查等等，都會產生信號，這樣信號程序是無法判斷是否是數據包的（如有錯誤，請各位大佬提醒）

 

場景描述：

聰明的小K在編譯腳本的基礎上加了彈框功能彈框功能，如果有就緒情況，就立刻彈框，小K便可以知道編譯完成了，去運行程序

優點：

1. 非阻塞模型，進程發起調用後，立刻返回，便可以進行其他操作了

缺點：

1. 在數據拷貝的時候，還是需要用戶態去主動去操作

異步非阻塞IO

這個就是真正強大的IO，用戶發起IO操作後，就不用管了，去做其他事情，內核會準備好數據，並把數據拷貝到用戶的進程中

 

場景描述

小K現在把編譯腳本加上了運行腳本，只要發起腳本，就可以去寫其他代碼了，腳本會自動完成編譯+運行操作

優點：

1. 非阻塞，發起IO操作後，還可以做其他事情

2. 異步，整個IO操作，只需要發起操作，而不需要進行等待數據完成和數據拷貝操作，這些內核都做好了

缺點：

1. 優點系統不支持

PS

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