我对网络IO的理解 _网络IO

Unix/linux系统下IO主要分为磁盘IO，网络IO，我今天主要说一下对网络IO的理解，网络IO主要是socket套接字的读(read)、写(write)，socket在Linux系统被抽象为流(stream) 。
网络IO模型在Unix/Linux系统下，IO分为两个不同阶段：

等待数据准备好
从内核向进程复制数据

阻塞式I/O
阻塞式I/O(blocking I/O)是最简单的一种，默认情况下，socket 套接字的系统调用都是阻塞的，我以recv/recvfrom 理解一下网络IO的模型。当应用层的系统调用recv/recvfrom时，开启Linux的系统调用，开始准备数据，然后将数据从内核态复制到用户态，然后通知应用程序获取数据，整个过程都是阻塞的。两个阶段都会被阻塞。

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阻塞I/O模型

图片来源于《Unix网络编程卷1》

阻塞I/O下开发的后台服务，一般都是通过多进程或者线程取出来请求，但是开辟进程或者线程是非常消耗系统资源的，当大量请求时，因为需要开辟更多的进程或者线程有可能将系统资源耗尽，因此这种模式不适合高并发的系统。
非阻塞式I/O
非阻塞IO(non-blocking I/O)在调用后，内核马上返回给进程，如果数据没有准备好，就返回一个error，进程可以先去干其他事情，一会再次调用，直到数据准备好为止，循环往返的系统调用的过程称为轮询(pool)，然后在从内核态将数据拷贝到用户态，但是这个拷贝的过程还是阻塞的。
我还是以recv/recvfrom为例说一下，首选需要将socket套接字设置成为非阻塞，进程开始调用recv/recvfrom，如果内核没有准备好数据时，立即返回给进程一个error码（在Linux下是EAGINE的错误码），进程接到error返回后，先去干其他的事情，进入了轮询，只等到数据准备好，然后将数据拷贝到用户态。
需要通过ioctl 函数将socket套接字设置成为非阻塞
ioctl(fd, FIONBIO, &nb);

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非阻塞I/O模型

图片来源于《Unix网络编程卷1》

非阻塞I/O的第一阶段不会阻塞，但是第二个阶段将数据从内核态拷贝到用户态时会有阻塞。在开发后台服务，由于非阻塞I/O需要通过轮询的方式去知道是否数据准备好，轮询的方式特别耗CPU的资源。
I/O多路复用
在Linux下提供一种I/O多路复用(I/O multiplexing)的机制，这个机制允许同时监听多个socket套接字描述符fd，一旦某个fd就绪(就绪一般是有数据可读或者可写)时，能够通知进程进行相应的读写操作。
在Linux下有三个I/O多路复用的函数Select、Poll、Epoll，但是它们都是同步IO，因为它们都需要在数据准备好后，读写数据是阻塞的。

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I/O多路复用模型

图片来源于《Unix网络编程卷1》

I/O多路复用是Linux处理高并发的技术，Epoll比Select、Poll性能更优越，后面会讲到它们的区别。优秀的高并发服务例如Nginx、redis都是采用Epoll+Non-Blocking I/O的模式。
信号驱动式I/O
信号驱动式I/O是通过信号的方式通知数据准备好，然后再讲数据拷贝到应用层，拷贝阶段也是阻塞的。

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信号驱动式I/O

图片来源于《Unix网络编程卷1》

异步I/O

异步I/O(asynchronous I/O或者AIO)，数据准备通知和数据拷贝两个阶段都在内核态完成，两个阶段都不会阻塞，真正的异步I/O 。
进程调用read/readfrom时，内核立刻返回，进程不会阻塞，进程可以去干其他的事情，当内核通知进程数据已经完成后，进程直接可以处理数据，不需要再拷贝数据，因为内核已经将数据从内核态拷贝到用户态，进程可以直接处理数据。

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异步I/O模型

图片来源于《Unix网络编程卷1》

Linux对AIO支持不好，因此使用的不是太广泛。
同步和异步区别、阻塞和非阻塞的区别同步和异步区别
对于这两个东西，POSIX其实是有官方定义的。A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
一个同步I/O操作会引起请求进程阻塞，只到这个I/O请求结束。