一文搞懂IO模型

概述

相信大家都喝过奶茶吧，奶茶还是很好喝的！

去奶茶店买奶茶一般是这样的流程：

1. 有顾客上门
2. 奶茶店员工点单
3. 奶茶店员工制作奶茶
4. 奶茶店员工打包
5. 顾客取走成品

$一个顾客类比一个IO连接$

$一个员工类比一个线程$

阻塞IO

阻塞IO：所有的IO操作，例如发送、接收等，都需要阻塞等待，等一个操作执行结束，才能执行下一个。

单线程阻塞IO

你开了一个奶茶店，自己积蓄全都投入了。现在，你一肩挑，负责店里所有的事情：点单、责奶茶制作、打包、通知顾客取餐。

闲着时，有客人上门，可以马上为他服务。但如果你在忙，就算有新的客人上门，也得候着，你只能口头关照一下。

$你=一个线程$

单线程阻塞 IO 定义：一个线程处理所有客户端连接，如果线程忙碌，那需要等当前连接完成，才刻意处理下一个连接。

多线程阻塞 IO

奶茶店干了一段时间后，生意越来越好了。作为老板的你招聘了 3 个员工作为帮手。这样就可以有 4 个人同时服务客户了，赚的钱肯定也是更多啦。

如果碰到节假日，店里的顾客太多，4 个人也忙不过来，还有很多顾客在排队等待，有的客人等的没有耐心了，就直接走掉，不排队了，你痛失了很多流式的客户。

多线程阻塞 IO 定义：来一个连接，就新建一个线程进行处理。不过，如果并发量很大（同时有多个连接），可能会导致内存溢出（OOM），即内存不够用。

有一种处理方法：可以规定最多只能同时处理 10 个连接，这样可以避免内存溢出。不过，当并发连接数达到 100 时，会导致处理速度跟连接数量，即很多连接在排队等待。这种情况恶化的话，还会导致客户端超时。

多线程阻塞 IO 优点

• 开发相对简单，在操作阻塞时，现成被挂起，不会占用 CPU 资源。

多线程阻塞 IO 缺点

• 连接的利用率不高，如果系统没有响应数据，会一直处于阻塞状态，占用连接资源。
• 不适用高并发场景。

非阻塞 IO

作为老板，你发现，一个员工同一时间只能服务一个客人，比较浪费。完全可以先给客人点单，然后去制作奶茶。

客人可以随时问店员，奶茶是否已经制作好了：

• 如果奶茶还没有制作好，则告知顾客，还需要耐心等待。
• 如果奶茶已经制作好了，在顾客询问后，可以立马把制作好的奶茶拿给客户。

奶茶店的日均流水得到了进一步提升，作为老板的你当然开心啦！

这种方式，虽然可以提升流水，多多接单，但是需要客人不停的询问。如果有的客人忘记了询问，会浪费客人的时间，让顾客的体验不是很好。

非阻塞 IO 定义： 客户端发起请求后，如果系统还未准备好，就立刻返回错误（告知客户），不让客户端阻塞等待。一旦数据准备好了，再次收到客户端请求时，系统会马上将数据拷贝给客户端。

非阻塞 IO 优点

• 客户端不会被阻塞，实时性好。

非阻塞 IO 缺点

• 当客户端没有获取到数据时，会不断询问，占用大量CPU时间，效率不高。

多路复用 IO

作为老板，你又发现，奶茶店可以招聘一个专门的收银员为用户点单，通知其他员工制作奶茶，同时还能照顾客人的情绪，进一步提升门店的购物体验。

• 收银员为客人点单，一个收银员可以同时服务多个客人。
• 奶茶制作好之后，收银员主动通知客人取奶茶。这样就不用客人每次去询问，奶茶是否制作好了。
• 而且其他员工，经过培训后，可以同时为多个客人制作奶茶，提高了奶茶的制作效率。

$收银员=专门处理连接的线程$

$其他员工=IO线程$

**多路复用IO定义：**有专门的线程（一个或多个线程）负责监控多个客户端连接，当有数据准备就绪后，分配或通知对应地线程，进行相应的操作。

多路复用IO模型，是目前使用最广的 IO 模型。它使得系统不必创建大量的线程，只使用一个或几个线程来监听客户端连接，这样一个或几个线程就可以同时处理成千上万个连接，大大减少了系统的开销。

现在的非常主流的网络通信框架 Netty 也是基于的多路复用机制，来实现的。

信号驱动 IO 模型

作为老板，你发现还可以进一步提升用户体验。之前是通过收银员来点单，并使用大声叫喊的方式通知顾客。通过人声叫喊的方式通知客户，可能会导致用户听不到收银员的叫喊，导致一直听不到。

你联系了一家软件公司，让它们帮忙开发一个自主点餐系统，用户到店后，直接通过扫描自助点餐。

当奶茶做好了，员工点击已完成制作，此时会在屏幕上显示哪个订单的奶茶已经制作好了，顾客也可以通过手机查看奶茶的制作进度。

当用户看到奶茶制作好了，需要自己过去取走。

信号驱动 IO 定义： 当用户进程（客户端）发起一个 IO 操作时，系统调用 sigaction 向内核注册一个回调函数，并立即返回，不阻塞客户端；当数据准备好时，内核使用信号（SIGIO）通知回调函数。

不过用户进程（客户端）需要将数据从内核空间拷贝到用户空间，此时是用户进程（客户端）是阻塞的； 也就是说：应用进程将数据从内核拷贝到用户空间的过程是阻塞等待的，这是信号驱动 IO和异步 IO 的本质区别。

异步 IO 模型

现在，你的奶茶店已经很好了，已经超过市场上大部分的奶茶店。不过你还是希望进一步提高顾客的体验，于是你又是独自思考的很久。还真被你想到了一个很好的方案。

之前，顾客需要自己看到奶茶是否已经制作完成，然后自行取奶茶。现在你专门招聘了一名服务员，在顾客区，专门引导客人点餐，并随时观察已经制作完成的订单。

当发现奶茶已经制作完成了，这名服务员会亲手将奶茶贴心的送到顾客手上，让顾客有宾至如归的感觉。你的奶茶店的品质得到了进一步的提升，名气也越来越大，渐渐地变成了知名奶茶店。嘿嘿~~！

异步 IO 模型定义： 客户端只需要向内核发送一个请求，告诉内核它要读取数据后即刻返回；内核收到请求后会建立一个信号联系，当数据准备就绪，内核会主动把数据从内核复制到用户空间（而信号驱动 IO 是告诉应用程序何时可以开始拷贝数据），异步 IO 模型真正的做到了完完全全的非阻塞。

Tips：异步 IO 模型和其他 IO 模型最大的区别是：前 4 个都是有阻塞的，需要客户端把数据，从内核拷贝到用户空间。而异步 IO 模型，用户进程（客户端）完全不需要关心整个 IO 操作是如何进行的，只需发起一个请求，当接收内核的成功信号时，可以直接使用数据，它是最理想的模型。