如何理解常见的IO模型：阻塞、非阻塞、多路复用、异步

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在Unix网络编程中，史蒂文斯给出了5种IO编程模型，其中最重点、也最常用的是多路复用模型(Multiplexing)。 这5种模型分别为：

• 阻塞式IO

• 非阻塞式IO

• IO多路复用(multiplexing io)，基于select/poll/epoll

• 信号驱动式IO SIGIO

• 异步IO（posix aio_abi和libaio）

想要说明清楚这几个模型，一个很好的方式是把网络IO分为两个阶段来理解。第一阶段，从客户端向服务端发送请求开始，到数据从网络传输到达，完全准备好为止。第二阶段，数据从内核空间复制到程序缓存（即用户空间），这个阶段才是应用真正执行recvfrom系统调用的阶段。在第一阶段，程序要么阻塞在recvfrom调用上，要么阻塞在select之类的方法上，或者干其他的事情去了（轮询、异步等）。

有了这个基本认知，我们再来逐个审视这几种模型。

阻塞式I/O模型

阻塞式IO（blocking I/O）是最基本的IO模型，也是日常使用中默认的模式。

如上图，应用发出请求，试图执行recvfrom系统调用，以获取数据，由于数据还没准备好（也许服务端才开始处理请求），当前请求线程被阻塞，只能傻傻的等待，直到数据可读或者抛出异常。如果是单线程应用，主线程挂起，CPU空置。如果是多线程，当前线程挂起，CPU切换时间片去执行其他线程。

非阻塞式IO模型

一般的Socket对象都会有一个setblocking(False)或者ConfigureBlocing(false)之类的方法，将当前IO线程设置成非阻塞模式。

如图，当socket设置为nonblocking时，在一阶段（数据准备阶段，还记得前面说的二阶段IO么，这里派上了用场）线程会不断的发起recvfrom轮询，如果还没有准备好数据，会得到一个EWouldBLOCK错误信号，直到数据准备好之后，开始真正执行recvfrom拉取数据。轮询会极大的消耗CPU时间，所以这种模型极少用到。

IO多路复用

I/O复用，即I/O multiplexing，这是一种基于select函数的编程模型，也是最常用的一种。有些人喜欢把它称作异步阻塞模型，我觉得这种叫法很容易让人产生误解，实际上这个模型和所谓的异步I/O没有半毛钱关系。

如上图，在第一阶段，我们可以通过select函数注册多路IO对象。每一个注册的IO对象都会阻塞在select函数上，直到IO对象的状态发生改变。此时数据已经准备好读/写。调度器遍历这些IO对象，返回准备好读/写的IO对象。紧接着进入第二阶段，开始对准备好的IO对象调用recvfrom函数。

对于多路复用模型，Java NIO基于select库实现了调度器Selector，python的selectors模块分别提供了基于select、poll以及epoll库的封装对象。

通过以上过程，我们还可以看到，其实IO多路复用跟阻塞IO很相似，基本两个阶段都在阻塞状态。只不过前者第一阶段阻塞在select函数上，第二阶段阻塞在recvfrom调用上；而后者全程阻塞在recvfrom上。而且IO多路复用由于需要注册、遍历IO对象，其实涉及到更多的步骤开销。但是多路复用的优势正在于可以同时对接多个IO对象，结合多线程技术，可以带来很大的灵活性。

异步IO模型

前面提到的三种模型，本质上在真正的IO阶段（第二阶段），都会阻塞。而在异步IO模型中，应用发出数据请求后，不再等待，直接返回。期间线程也不会阻塞。之后由内核处理两个阶段IO，然后给应用发送信号，程序直接获取数据。

基于Unix系统有一个POSIX异步IO库——aio_abi，以及一个第三方库aiolib，后者可能更加知名。异步IO模型非常复杂，一般很少见到。另外我也有一些疑惑，python中的asyncio包提出的协程概念，和这里的异步IO是否为同一件事物。史蒂文斯在这里描述的异步明显需要基于系统内核的相关实现，和asyncio这种单纯的编程概念，大概说的不是一个层级的东西吧。

隐喻

最后还是说一个比喻吧。如果把IO模型比作网购，在你提交订单的一刻到快递员将货物带到你家小区门口期间，可看作一阶段IO。之后小哥给你打电话：“你的快递，快开门”，这相当于数据准备好了，并发送了通知。之后，你跑到门口将快递一件一件搬到家里，这是第二阶段。

阻塞模型相当于你提了订单，就不吃不喝，只等着快递，直到小哥给你打电话，然后吭哧吭哧把快递搬到家，你才开始吃喝、睡觉等。非阻塞模型下，你提交订单后就开始自由行动了。但是仍然会每隔几分钟跑到小区门口看看快递到了没（轮询），一直把自己搞得精疲力尽。直到小哥给你打电话，你把快递搬回家才算消停。多路复用模型下，你同时提交了多个订单，但不再傻傻的朝门口来回跑了，而是紧紧盯着菜鸟裹裹信息（阻塞在select），直到其上显示至少有一个快递到了，你会嗖的跑过去，当然，快递仍然自己搬（recvfrom阻塞）。异步模型下，你雇了一个万能管家吉福斯，你只要下完订单，就不用操心了，他会打点好一切，最后他会把快递按照你们约定的地点、方式，直接送到你的手上。

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