什么是IO多路復(fù)用_IO多路復(fù)用同步異步阻塞和非阻塞

一、什么是socket？

我們都知道unix（like）世界里，一切皆文件，而文件是什么呢？文件就是一串二進(jìn)制流而已，不管socket，還是FIFO、管道、終端，對(duì)我們來說，一切都是文件，一切都是流。在信息 交換的過程中，我們都是對(duì)這些流進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，簡稱為I/O操作（input and output），往流中讀出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用read，寫入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用write。不過話說回來了 ，計(jì)算機(jī)里有這么多的流，我怎么知道要操作哪個(gè)流呢？對(duì)，就是文件描述符，即通常所說的fd，一個(gè)fd就是一個(gè)整數(shù)，所以，對(duì)這個(gè)整數(shù)的操作，就是對(duì)這個(gè)文件（流）的操作。我們創(chuàng)建一個(gè)socket，通過系統(tǒng)調(diào)用會(huì)返回一個(gè)文件描述符，那么剩下對(duì)socket的操作就會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)這個(gè)描述符的操作。不能不說這又是一種分層和抽象的思想。

二、阻塞？

什么是程序的阻塞呢？想象這種情形，比如你等快遞，但快遞一直沒來，你會(huì)怎么做？有兩種方式：

快遞沒來，我可以先去睡覺，然后快遞來了給我打電話叫我去取就行了。

快遞沒來，我就不停的給快遞打電話說：擦，怎么還沒來，給老子快點(diǎn)，直到快遞來。

很顯然，你無法忍受第二種方式，不僅耽擱自己的時(shí)間，也會(huì)讓快遞很想打你。

而在計(jì)算機(jī)世界，這兩種情形就對(duì)應(yīng)阻塞和非阻塞忙輪詢。

非阻塞忙輪詢：數(shù)據(jù)沒來，進(jìn)程就不停的去檢測數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)來。

阻塞：數(shù)據(jù)沒來，啥都不做，直到數(shù)據(jù)來了，才進(jìn)行下一步的處理。

先說說阻塞，因?yàn)橐粋€(gè)線程只能處理一個(gè)套接字的I/O事件，如果想同時(shí)處理多個(gè)，可以利用非阻塞忙輪詢的方式，偽代碼如下：

［cpp］ view plain copywhile true

{

for i in stream［］

{

if i has data

read until unavailable

}

}

我們只要把所有流從頭到尾查詢一遍，就可以處理多個(gè)流了，但這樣做很不好，因?yàn)槿绻械牧鞫紱]有I/O事件，白白浪費(fèi)CPU時(shí)間片。正如有一位科學(xué)家所說，計(jì)算機(jī)所有的問題都可以增加一個(gè)中間層來解決，同樣，為了避免這里cpu的空轉(zhuǎn)，我們不讓這個(gè)線程親自去檢查流中是否有事件，而是引進(jìn)了一個(gè)代理（一開始是select，后來是poll），這個(gè)代理很牛，它可以同時(shí)觀察許多流的I/O事件，如果沒有事件，代理就阻塞，線程就不會(huì)挨個(gè)挨個(gè)去輪詢了，偽代碼如下：

［cpp］ view plain copywhile true

{

select（streams［］） //這一步死在這里，知道有一個(gè)流有I/O事件時(shí)，才往下執(zhí)行

for i in streams［］

{

if i has data

read until unavailable

}

}

但是依然有個(gè)問題，我們從select那里僅僅知道了，有I/O事件發(fā)生了，卻并不知道是哪那幾個(gè)流（可能有一個(gè)，多個(gè)，甚至全部），我們只能無差別輪詢所有流，找出能讀出數(shù)據(jù)，或者寫入數(shù)據(jù)的流，對(duì)他們進(jìn)行操作。所以select具有O（n）的無差別輪詢復(fù)雜度，同時(shí)處理的流越多，無差別輪詢時(shí)間就越長。

epoll可以理解為event poll，不同于忙輪詢和無差別輪詢，epoll會(huì)把哪個(gè)流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們。所以我們說epoll實(shí)際上是事件驅(qū)動(dòng)（每個(gè)事件關(guān)聯(lián)上fd）的，此時(shí)我們對(duì)這些流的操作都是有意義的。（復(fù)雜度降低到了O（1））偽代碼如下：

［cpp］ view plain copywhile true

{

active_stream［］ = epoll_wait（epollfd）

for i in active_stream［］

{

read or write till

}

}

可以看到，select和epoll最大的區(qū)別就是：select只是告訴你一定數(shù)目的流有事件了，至于哪個(gè)流有事件，還得你一個(gè)一個(gè)地去輪詢，而epoll會(huì)把發(fā)生的事件告訴你，通過發(fā)生的事件，就自然而然定位到哪個(gè)流了。不能不說epoll跟select相比，是質(zhì)的飛躍，我覺得這也是一種犧牲空間，換取時(shí)間的思想，畢竟現(xiàn)在硬件越來越便宜了。

三、I/O多路復(fù)用

好了，我們講了這么多，再來總結(jié)一下，到底什么是I/O多路復(fù)用。

先講一下I/O模型：

首先，輸入操作一般包含兩個(gè)步驟：

等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好（waiting for data to be ready）。對(duì)于一個(gè)套接口上的操作，這一步驟關(guān)系到數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)到達(dá)，并將其復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)。

將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到進(jìn)程緩沖區(qū)（copying the data from the kernel to the process）。

其次了解一下常用的3種I/O模型：

1、阻塞I/O模型

最廣泛的模型是阻塞I/O模型，默認(rèn)情況下，所有套接口都是阻塞的。 進(jìn)程調(diào)用recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，整個(gè)過程是阻塞的，直到數(shù)據(jù)復(fù)制到進(jìn)程緩沖區(qū)時(shí)才返回（當(dāng)然，系統(tǒng)調(diào)用被中斷也會(huì)返回）。

2、非阻塞I/O模型

當(dāng)我們把一個(gè)套接口設(shè)置為非阻塞時(shí)，就是在告訴內(nèi)核，當(dāng)請(qǐng)求的I/O操作無法完成時(shí)，不要將進(jìn)程睡眠，而是返回一個(gè)錯(cuò)誤。當(dāng)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好時(shí)，內(nèi)核立即返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤，第四次調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)存在，這時(shí)將數(shù)據(jù)復(fù)制到進(jìn)程緩沖區(qū)中。這其中有一個(gè)操作時(shí)輪詢（polling）。

3、I/O復(fù)用模型

此模型用到select和poll函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)也會(huì)使進(jìn)程阻塞，select先阻塞，有活動(dòng)套接字才返回，但是和阻塞I/O不同的是，這兩個(gè)函數(shù)可以同時(shí)阻塞多個(gè)I/O操作，而且可以同時(shí)對(duì)多個(gè)讀操作，多個(gè)寫操作的I/O函數(shù)進(jìn)行檢測，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫（就是監(jiān)聽多個(gè)socket）。select被調(diào)用后，進(jìn)程會(huì)被阻塞，內(nèi)核監(jiān)視所有select負(fù)責(zé)的socket，當(dāng)有任何一個(gè)socket的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回套接字可讀，我們就可以調(diào)用recvfrom處理數(shù)據(jù)。

正因?yàn)樽枞鸌/O只能阻塞一個(gè)I/O操作，而I/O復(fù)用模型能夠阻塞多個(gè)I/O操作，所以才叫做多路復(fù)用。

4、信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O模型（signal driven I/O， SIGIO）

首先我們?cè)试S套接口進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O，并安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，進(jìn)程會(huì)收到一個(gè)SIGIO信號(hào)，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好讀取時(shí)，內(nèi)核就為該進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)SIGIO信號(hào)。我們隨后既可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)報(bào)，并通知主循環(huán)數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好待處理，也可以立即通知主循環(huán)，讓它來讀取數(shù)據(jù)報(bào)。無論如何處理SIGIO信號(hào)，這種模型的優(yōu)勢在于等待數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)（第一階段）期間，進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行，不被阻塞。免去了select的阻塞與輪詢，當(dāng)有活躍套接字時(shí)，由注冊(cè)的handler處理。

5、異步I/O模型（AIO， asynchronous I/O）

進(jìn)程發(fā)起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當(dāng)它受到一個(gè)asynchronous read之后，首先它會(huì)立刻返回，所以不會(huì)對(duì)用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block。然后，kernel會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)這一切都完成之后，kernel會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal，告訴它read操作完成了。

這個(gè)模型工作機(jī)制是：告訴內(nèi)核啟動(dòng)某個(gè)操作，并讓內(nèi)核在整個(gè)操作（包括第二階段，即將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程緩沖區(qū)中）完成后通知我們。

這種模型和前一種模型區(qū)別在于：信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O是由內(nèi)核通知我們何時(shí)可以啟動(dòng)一個(gè)I/O操作，而異步I/O模型是由內(nèi)核通知我們I/O操作何時(shí)完成。

高性能IO模型淺析

服務(wù)器端編程經(jīng)常需要構(gòu)造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統(tǒng)的IO模型。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認(rèn)創(chuàng)建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設(shè)置為NONBLOCK。注意這里所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。

（3）IO多路復(fù)用（IO Multiplexing）：即經(jīng)典的Reactor設(shè)計(jì)模式，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。

（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經(jīng)典的Proactor設(shè)計(jì)模式，也稱為異步非阻塞IO。

為了方便描述，我們統(tǒng)一使用IO的讀操作作為示例。

一、同步阻塞IO

同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，用戶線程在內(nèi)核進(jìn)行IO操作時(shí)被阻塞。

圖1 同步阻塞IO

如圖1所示，用戶線程通過系統(tǒng)調(diào)用read發(fā)起IO讀操作，由用戶空間轉(zhuǎn)到內(nèi)核空間。內(nèi)核等到數(shù)據(jù)包到達(dá)后，然后將接收的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，完成read操作。

用戶線程使用同步阻塞IO模型的偽代碼描述為：

{

read（socket， buffer）;

process（buffer）;

}

即用戶需要等待read將socket中的數(shù)據(jù)讀取到buffer后，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)。整個(gè)IO請(qǐng)求的過程中，用戶線程是被阻塞的，這導(dǎo)致用戶在發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)，不能做任何事情，對(duì)CPU的資源利用率不夠。

二、同步非阻塞IO

同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎(chǔ)上，將socket設(shè)置為NONBLOCK。這樣做用戶線程可以在發(fā)起IO請(qǐng)求后可以立即返回。

圖2 同步非阻塞IO

如圖2所示，由于socket是非阻塞的方式，因此用戶線程發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)立即返回。但并未讀取到任何數(shù)據(jù)，用戶線程需要不斷地發(fā)起IO請(qǐng)求，直到數(shù)據(jù)到達(dá)后，才真正讀取到數(shù)據(jù)，繼續(xù)執(zhí)行。

用戶線程使用同步非阻塞IO模型的偽代碼描述為：

{

while（read（socket， buffer） ！= SUCCESS）

;

process（buffer）;

}

即用戶需要不斷地調(diào)用read，嘗試讀取socket中的數(shù)據(jù)，直到讀取成功后，才繼續(xù)處理接收的數(shù)據(jù)。整個(gè)IO請(qǐng)求的過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起IO請(qǐng)求后可以立即返回，但是為了等到數(shù)據(jù)，仍需要不斷地輪詢、重復(fù)請(qǐng)求，消耗了大量的CPU的資源。一般很少直接使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。

三、IO多路復(fù)用

IO多路復(fù)用模型是建立在內(nèi)核提供的多路分離函數(shù)select基礎(chǔ)之上的，使用select函數(shù)可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題。

圖3 多路分離函數(shù)select

如圖3所示，用戶首先將需要進(jìn)行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系統(tǒng)調(diào)用返回。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，socket被激活，select函數(shù)返回。用戶線程正式發(fā)起read請(qǐng)求，讀取數(shù)據(jù)并繼續(xù)執(zhí)行。

從流程上來看，使用select函數(shù)進(jìn)行IO請(qǐng)求和同步阻塞模型沒有太大的區(qū)別，甚至還多了添加監(jiān)視socket，以及調(diào)用select函數(shù)的額外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的優(yōu)勢是用戶可以在一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)socket的IO請(qǐng)求。用戶可以注冊(cè)多個(gè)socket，然后不斷地調(diào)用select讀取被激活的socket，即可達(dá)到在同一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)IO請(qǐng)求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達(dá)到這個(gè)目的。

用戶線程使用select函數(shù)的偽代碼描述為：

{

select（socket）;

while（1） {

sockets = select（）;

for（socket in sockets） {

if（can_read（socket）） {

read（socket， buffer）;

process（buffer）;

}

}

}

}

其中while循環(huán)前將socket添加到select監(jiān)視中，然后在while內(nèi)一直調(diào)用select獲取被激活的socket，一旦socket可讀，便調(diào)用read函數(shù)將socket中的數(shù)據(jù)讀取出來。

然而，使用select函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)并不僅限于此。雖然上述方式允許單線程內(nèi)處理多個(gè)IO請(qǐng)求，但是每個(gè)IO請(qǐng)求的過程還是阻塞的（在select函數(shù)上阻塞），平均時(shí)間甚至比同步阻塞IO模型還要長。如果用戶線程只注冊(cè)自己感興趣的socket或者IO請(qǐng)求，然后去做自己的事情，等到數(shù)據(jù)到來時(shí)再進(jìn)行處理，則可以提高CPU的利用率。

IO多路復(fù)用模型使用了Reactor設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制。

圖4 Reactor設(shè)計(jì)模式

如圖4所示，EventHandler抽象類表示IO事件處理器，它擁有IO文件句柄Handle（通過get_handle獲?。?，以及對(duì)Handle的操作handle_event（讀/寫等）。繼承于EventHandler的子類可以對(duì)事件處理器的行為進(jìn)行定制。Reactor類用于管理EventHandler（注冊(cè)、刪除等），并使用handle_events實(shí)現(xiàn)事件循環(huán)，不斷調(diào)用同步事件多路分離器（一般是內(nèi)核）的多路分離函數(shù)select，只要某個(gè)文件句柄被激活（可讀/寫等），select就返回（阻塞），handle_events就會(huì)調(diào)用與文件句柄關(guān)聯(lián)的事件處理器的handle_event進(jìn)行相關(guān)操作。

圖5 IO多路復(fù)用

如圖5所示，通過Reactor的方式，可以將用戶線程輪詢IO操作狀態(tài)的工作統(tǒng)一交給handle_events事件循環(huán)進(jìn)行處理。用戶線程注冊(cè)事件處理器之后可以繼續(xù)執(zhí)行做其他的工作（異步），而Reactor線程負(fù)責(zé)調(diào)用內(nèi)核的select函數(shù)檢查socket狀態(tài)。當(dāng)有socket被激活時(shí)，則通知相應(yīng)的用戶線程（或執(zhí)行用戶線程的回調(diào)函數(shù)），執(zhí)行handle_event進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、處理的工作。由于select函數(shù)是阻塞的，因此多路IO復(fù)用模型也被稱為異步阻塞IO模型。注意，這里的所說的阻塞是指select函數(shù)執(zhí)行時(shí)線程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路復(fù)用模型時(shí)，socket都是設(shè)置為NONBLOCK的，不過這并不會(huì)產(chǎn)生影響，因?yàn)橛脩舭l(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)了，用戶線程一定不會(huì)被阻塞。

用戶線程使用IO多路復(fù)用模型的偽代碼描述為：

void UserEventHandler：：handle_event（） {

if（can_read（socket）） {

read（socket， buffer）;

process（buffer）;

}

}

{

Reactor.register（new UserEventHandler（socket））;

}

用戶需要重寫EventHandler的handle_event函數(shù)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的工作，用戶線程只需要將自己的EventHandler注冊(cè)到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循環(huán)的偽代碼大致如下。

Reactor：：handle_events（） {

while（1） {

sockets = select（）;

for（socket in sockets） {

get_event_handler（socket）.handle_event（）;

}

}

}

事件循環(huán)不斷地調(diào)用select獲取被激活的socket，然后根據(jù)獲取socket對(duì)應(yīng)的EventHandler，執(zhí)行器handle_event函數(shù)即可。

IO多路復(fù)用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”，因?yàn)樗褂昧藭?huì)阻塞線程的select系統(tǒng)調(diào)用。因此IO多路復(fù)用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO。

四、異步IO

“真正”的異步IO需要操作系統(tǒng)更強(qiáng)的支持。在IO多路復(fù)用模型中，事件循環(huán)將文件句柄的狀態(tài)事件通知給用戶線程，由用戶線程自行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。而在異步IO模型中，當(dāng)用戶線程收到通知時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)被內(nèi)核讀取完畢，并放在了用戶線程指定的緩沖區(qū)內(nèi)，內(nèi)核在IO完成后通知用戶線程直接使用即可。

異步IO模型使用了Proactor設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制。

圖6 Proactor設(shè)計(jì)模式

如圖6，Proactor模式和Reactor模式在結(jié)構(gòu)上比較相似，不過在用戶（Client）使用方式上差別較大。Reactor模式中，用戶線程通過向Reactor對(duì)象注冊(cè)感興趣的事件監(jiān)聽，然后事件觸發(fā)時(shí)調(diào)用事件處理函數(shù)。而Proactor模式中，用戶線程將AsynchronousOperation（讀/寫等）、Proactor以及操作完成時(shí)的CompletionHandler注冊(cè)到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一組異步操作API（讀/寫等）供用戶使用，當(dāng)用戶線程調(diào)用異步API后，便繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)。AsynchronousOperationProcessor 會(huì)開啟獨(dú)立的內(nèi)核線程執(zhí)行異步操作，實(shí)現(xiàn)真正的異步。當(dāng)異步IO操作完成時(shí)，AsynchronousOperationProcessor將用戶線程與AsynchronousOperation一起注冊(cè)的Proactor和CompletionHandler取出，然后將CompletionHandler與IO操作的結(jié)果數(shù)據(jù)一起轉(zhuǎn)發(fā)給Proactor，Proactor負(fù)責(zé)回調(diào)每一個(gè)異步操作的事件完成處理函數(shù)handle_event。雖然Proactor模式中每個(gè)異步操作都可以綁定一個(gè)Proactor對(duì)象，但是一般在操作系統(tǒng)中，Proactor被實(shí)現(xiàn)為Singleton模式，以便于集中化分發(fā)操作完成事件。

圖7 異步IO

如圖7所示，異步IO模型中，用戶線程直接使用內(nèi)核提供的異步IO API發(fā)起read請(qǐng)求，且發(fā)起后立即返回，繼續(xù)執(zhí)行用戶線程代碼。不過此時(shí)用戶線程已經(jīng)將調(diào)用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊(cè)到內(nèi)核，然后操作系統(tǒng)開啟獨(dú)立的內(nèi)核線程去處理IO操作。當(dāng)read請(qǐng)求的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，由內(nèi)核負(fù)責(zé)讀取socket中的數(shù)據(jù)，并寫入用戶指定的緩沖區(qū)中。最后內(nèi)核將read的數(shù)據(jù)和用戶線程注冊(cè)的CompletionHandler分發(fā)給內(nèi)部Proactor，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程（一般通過調(diào)用用戶線程注冊(cè)的完成事件處理函數(shù)），完成異步IO。

用戶線程使用異步IO模型的偽代碼描述為：

void UserCompletionHandler：：handle_event（buffer） {

process（buffer）;

}

{

aio_read（socket， new UserCompletionHandler）;

}

用戶需要重寫CompletionHandler的handle_event函數(shù)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)的工作，參數(shù)buffer表示Proactor已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)，用戶線程直接調(diào)用內(nèi)核提供的異步IO API，并將重寫的CompletionHandler注冊(cè)即可。

相比于IO多路復(fù)用模型，異步IO并不十分常用，不少高性能并發(fā)服務(wù)程序使用IO多路復(fù)用模型+多線程任務(wù)處理的架構(gòu)基本可以滿足需求。況且目前操作系統(tǒng)對(duì)異步IO的支持并非特別完善，更多的是采用IO多路復(fù)用模型模擬異步IO的方式（IO事件觸發(fā)時(shí)不直接通知用戶線程，而是將數(shù)據(jù)讀寫完畢后放到用戶指定的緩沖區(qū)中）。Java7之后已經(jīng)支持了異步IO，感興趣的讀者可以嘗試使用。