IO模型

IO流程

• IO分为两个阶段，第一步是等待数据写入缓冲区，第二步将数据从缓冲区拷贝到应用程序，第一步是由对方决定什么时候把数据发过来，第二步是由操作系统决定的，需要从用户态进入内核态拷贝数据；
• 阻塞和非阻塞指的是第一个阶段，进程等待缓存区写入数据的方式，同步异步指的是第二个阶段，进程是否需要等待操作系统把数据从缓冲区拷贝到应用程序

五种IO模型

• 同步阻塞：第一个阶段阻塞，直到缓冲区被写入数据
• 同步非阻塞：采用轮询的方式查看数据是否准备好
• 多路复用：使用一个线程，监听多个IO请求，并且在有IO请求产生的时候返回，多路复用的阻塞在于应用层面
• 信号驱动：由信号主动告知数据有没有准备好，线程收到信号后处理IO
• 异步IO：之前的模型都是在第一个阶段进行优化，第二阶段都需要进入内核态拷贝数据，在异步IO中当程序需要IO时发出IO请求，继续执行后续代码，直到IO完成回调

Java中的IO模型

• BIO：用户调用read之后会一直阻塞，直到数据拷贝到应用程序
• NIO：java中的nio可以看作多路复用模型，线程发起select调用，等到内核吧数据准备好，线程再发起read调用
• AIO：基于事件和回调机制实现，应用程序操作后直接返回，不阻塞，等待操作系统通知

IO多路复用

• select/poll/epoll是内核提供给用户多路复用的系统调用

select/poll

• 将已连接到socket都放到一个文件描述集合，调用select函数将文件描述拷贝到内核，让内核检查是否有完了时间发生，检查的方式是遍历，当有事件时，标记此socket为可读或可写，再把文件描述符集合拷贝到用户态，用户态通过遍历的方式找到可操作socket
• 需要两次遍历和两次文件描述符集合拷贝
• select采用固定长度bitmap标识文件描述符集合，是有限制的，poll采用动态数组，以链表的形式进行组织，突破个数限制
• select/poll都是采用线性结构存储socket集合，都需要遍历文件描述符结合来查找，时间复杂度为On，也需要用户态和内核态之间拷贝

epoll

• epoll在内核使用红黑树来关注进程所有待监测的socket，通过管理红黑树，不需要每次都传入整个socket集合，减少了数据拷贝和内存分配
• epoll使用事件驱动的机制，内核中维护了一个链表来记录就绪事件，当某个socket有事件发生时，通过回调函数内核会将其加入就绪事件列表，不需要扫描整个socket集合，提高效率
• epoll支持边缘触发和水平触发两种触发模式，边缘触发是指当有可读事件发生时，只会从wait中苏醒一次，需要保证一次性将内核缓冲区读完；水平触发是值当有可读事件发生时，会不断从wait中苏醒，直到内核缓存区数据被读完；select只支持水平触发，一般来说边缘触发方式比水平触发效率高，因为边缘触发可以减少系统调用次数