所谓的I/O就是计算机内存与外部设备之间拷贝数据的过程,因此CPU是先把外部设备的数据读到内存里,然后再进行处理。

对于一个网络I/O通信过程,比如网络数据读取,会涉及两个对象,一个是调用这个I/O操作的用户线程,另外一个就是操作系统内核。一个进程的地址空间分为用户空间和内核空间,用户线程不能直接访问内核空间。

当用户线程发起I/O操作后,网络数据读取操作会经历两个步骤:

   用户线程等待内核将数据从网卡(外部设备)拷贝到内核空间。

   内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

各种I/O模型的区别就是:它们实现这两个步骤的方式是不一样的。

1、同步阻塞I/O

用户线程发起read调用后就阻塞了,让出CPU。内核等待网卡数据到来,把数据从网卡拷贝到内核空间,接着把数据拷贝到用户空间,再把用户线程叫醒。

通俗易懂讲解IO模型_用户线程


2、同步非阻塞I/O

用户线程不断的发起read调用,数据没到内核空间时,每次都返回失败,直到数据到了内核空间,这一次read调用后,在等待数据从内核空间拷贝到用户空间这段时间里,线程还是阻塞的,等数据到了用户空间再把线程叫醒。

通俗易懂讲解IO模型_数据_02

3、I/O多路复用

用户线程的读取操作分成两步了,线程先发起select调用,目的是问内核数据准备好了吗?等内核把数据准备好了,用户线程再发起read调用。在等待数据从内核空间拷贝到用户空间这段时间里,线程还是阻塞的。那为什么叫I/O多路复用呢?因为一次select调用可以向内核查多个数据通道(Channel)的状态,所以叫多路复用。

通俗易懂讲解IO模型_用户线程_03


4、异步I/O

用户线程发起read调用的同时注册一个回调函数,read立即返回,等内核将数据准备好后,再调用指定的回调函数完成处理。在这个过程中,用户线程一直没有阻塞。

通俗易懂讲解IO模型_数据_04

五种IO模型比较

通俗易懂讲解IO模型_数据_05

总结

I/O模型是为了解决内存和外部设备速度差异的问题。我们平时说的阻塞或非阻塞是指应用程序在发起I/O操作时,是立即返回还是等待而同步和异步,是指应用程序在与内核通信时,数从内核空间到应用空间的拷贝,是由应用程序来触发还是由内核主动发起。