什么IO多路复用，同步，异步，阻塞，非阻塞，一切从最基础学习。

linux有一句著名的哲学：一切皆文件；不仅仅包括我们通常所说的文件/文件夹，其他的进程、线程、管道、套接字、代码、块设备……，一切的一切都是“文件”。文件都是以流的形势传输，又叫文件流，流其实就是文件、数据按照特点的编码格式输入输出。所以这一切的操作简称为：I/O操作，英文叫：input and output，翻译过来就是：输入和输出！

既然linux一切皆文件，那么怎么操作文件呢？这就到了第一个概念：文件描述符。

一：几个必要的概念

1：文件描述符（fd）

内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

为了查看文件描述符限制，运行个命令：

$  ulimit -a #当前所有的 limit 信息

 

上图红线中的1024：表示文件最大句柄数，也就是单个进程最大打开的文件数默认为1024。

1024是无法做高并发的：因为linux的所有操作归根结底都是文件操作，在UNIX、Linux的系统调用中，大量的系统调用都是依赖于文件描述符。socket也不例外，所以这就是为什么我们用socket链接数TCP默认1024的原因，因为linux系统级限制，所以不管poll也好，epoll也好，什么十万、百万链接，必须先修改linux的这个限制才行。select 1024 是它自己默认的，估计也是和这个有关。

3：用户空间与内核空间：

这两个指的其实是内存的大小，计算机中的总内存=用户空间+内核空间。比如4G的内存，程序实际使用的没有4G，因为还有一部分要给操作系统内核使用，在32位的系统中，用户进程最大只能使用3G，在64位系统中最大只能使用512G。操作系统这样设计是处于安全性和稳定性。比如应用程序访问硬件，需要调用操作系统的接口来实现，这个过程就是系统调用。

但是这和我们接下来谈的网络IO模型有什么关系呢？因为网络传输也是系统调用，数据从远方发送过了，内核空间先接受数据，然后再从内核空间拷贝到用户空间……

4：进程切换：

操作系统为了控制进程的执行，必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行，这种行为被称为进程切换，任务切换或上下文切换，也就是让进程占用处理器。

上面这段话来自百度百科，不好理解，打个比喻：张三现在占用一张桌子吃饭，张三吃了两口，命令张三起来，把自己碗筷收走，李四把自己碗筷拿上来，占用饭桌继续吃……

从这里就可以看出，为什么进程切换很耗资源？老子屁股都没坐热又要让座位，牵一发动全身。

二：同步、异步、阻塞、非阻塞

1：同步（Synchronous）：

同步就是程序一个个执行，执行过程中等待执行结果，执行完后再执行下一个。

2：异步( Asynchronous)：

异步和同步相对，在异步调用的时候，程序不用等待，继续执行其他的，异步完成以后，通过发消息、通知、回调来通知调用者。

3：阻塞( Blocking )：

阻塞和非阻塞指的是线程的调用方式，调用结果返回之前，当前线程挂起，当前线程得到调用结果之后才会返回。这个和同步最容易混淆，同步的时候线程是激活状态的，还在占用CPU，同步的时候有可能已经执行完了，但是程序逻辑上可能没有返回而已；而阻塞的时候线程是挂起状态的。

4：非阻塞( Nonblocking)：

调用不能立即得到结果之前，不会阻塞当前线程，而是立刻返回。

总结：同步和异步，关注的是消息的返回机制，是程序间的一种协作机制；而阻塞和非阻塞是进程的机制。

三：Linux5种网络IO模型

（1）阻塞I/O模型
（2）非阻塞I/O模型
（3）I/O复用模型
（4）信号驱动I/O模型
（5）异步I/O模型

（1）阻塞I/O模型（同步）：

用户发出IO请求，内核检查数据是否准备好，如果没有，等待数据，用户线程处于阻塞阶段，并且交出CPU，当数据全部到位以后，内核把数据拷贝到用户线程。从图上看recvfrom后就没我CPU啥事了。

（2）非阻塞I/O模型（同步）：

用户发出请求后，不用等待，马上得到一个返回信息，如果返回EAGAIN（EWOULDBLOCK），表示数据还没准备好，用户再次发起请求，直到数据准备好。

所以这个过程其实就是程序设计中的轮训，用户需要不断的询问数据是否到位，所以用户线程会一直占用CPU，这可能会占用CPU非常高。

（3）I/O多路复用模型（同步）：

Linux有select、poll、epoll多路复用机制，进程将一个或者N个fd传递给select、poll、epoll系统调用，select函数负责等待数据是否准备就绪，所以阻塞就是在select操作的时候。这个调用是内核级别的。select对这些fd循环监听，某个fd准备就绪，就对某个fd进行处理。

select/poll：是顺序扫描fd，支持的fd有限，有最大数限制，当然可以修改最大值，但是它的处理方式先创建一个事件列表，然后把这个列表发给内核，返回的时候，再去轮询检查这个列表，这样在描述符比较多的时候，效率就显得比较低下了。select：默认1024，poll默认：fd最大上限值。

epoll：基于事件驱动方式，效率更高。通过回调通知机制，减少了扫描和频繁的内存拷贝，从而显得高效，适合很多链接，但是链接并不活跃。比如几百万链接，但活跃的并不多，这种情况适合epoll。

多路复用IO依然是阻塞IO，但是一个线程管理管理多个I/O流（链接、socket），而且只有当数据准备就绪的时候才会操作，这样极大的节约了系统资源。

（4）信号驱动I/O模型（同步）：

用户进程首先通过sigaction系统调用注册SIGIO的信号处理程序，然后内核立刻返回给用户SIGIO（发送信号），内核开始等待数据，等到数据准备就绪，内核再给用户进程SIGIO（发送信号），然后用户进程调用recvfrom（接受数据），内核开始拷贝数据到用户空间中，完成后在发送成功提示。

这种模型不太常用，尤其不适合TCP，因为TCP产生SIGIO频繁，链接，端口，发送，接受都会产生SIGIO，不能准确判断原因。而UDP产生SIGIO有两种情况，1：信号到达产生SIGIO，2：发送错误产生SIGIO。所以在UDP中我们接受到SIGIO，只要SIGIO没发生错误，我们就可以判断数据已经达到。

（5）异步I/O模型（异步）：

应用程序发出异步调用，不能马上得到结果，内核会干两个事情，1：释放用户线程（程序控制权），应用程序可以去干其他别的事情。2：内核开始处理数据，当数据准备就绪，再把数据从内核中拷贝到用户空间，返回异步调用时的函数处理程序。

总结：为什么异步I/O模型才是真正的异步？而前面四种都是同步IO？因为前面四种在IO的第二步操作都会阻塞，阻塞什么？阻塞用户线程。第二步就是内核拷贝数据的过程中会有等待。只有异步I/O模型中的IO第二步，会释放用户线程，用户线程不必等待，可以去干其他的事情，这就是真正的异步。

参考资料：

《UNIX网络编程》

https://my.oschina.net/xinxingegeya/blog/3009383

https://blog.csdn.net/ZWE7616175/article/details/80591587

http://www.pianshen.com/article/8234220507/