從OS的層次理解網路I/O模型_ZenDei技術網路在線

基本概念傳統IO的種類 InputStream、OutputStream 基於位元組流操作的 IO Write、Reader基於字元流的IO File基於磁碟操作的IO Socket基於網路操作的IO 內核空間與用戶空間內核負責網路與文件數據的讀寫用戶程式通過系統調用獲得網路和文件的數據內核態 ...

基本概念

傳統IO的種類

InputStream、OutputStream 基於位元組流操作的 IO
Write、Reader基於字元流的IO
File基於磁碟操作的IO
Socket基於網路操作的IO

內核空間與用戶空間

內核負責網路與文件數據的讀寫
用戶程式通過系統調用獲得網路和文件的數據

內核態與用戶態的切換

//當前線程處於用戶態
String str = "string";
int x = 2;
//切換至內核態
FileOutputStream fop = new FileOutputStream(new File("a.txt"));
OutputStreamWrite out = new OutputStreamWrite(fop, "GBK");
out.write("....");
out.append('\r\n');
out.close();
//用戶態
int y = x + 2;

程式為讀寫數據不得不發生系統調用。
通過系統調用介面，線程從用戶態切換到內核態，內核讀寫數據後，再切換回來。
進程或線程的不同空間狀態。

socket通信
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

伺服器調用socket()、bind()、listen()完成初始化後，調用accept()阻塞等待，處於監聽埠的狀態，客戶端調用socket()初始化後，調用connect()發出SYN段並阻塞等待伺服器應答，伺服器應答一個SYN-ACK段，客戶端收到後從connect()返回，同時應答一個ACK段，伺服器收到後從accept()返回。

數據傳輸的過程：
建立連接後，TCP協議提供全雙工的通信服務，但是一般的客戶端/伺服器程式的流程是由客戶端主動發起請求，伺服器被動處理請求，一問一答的方式。因此，伺服器從accept()返回後立刻調用read()，讀socket就像讀管道一樣，如果沒有數據到達就阻塞等待，這時客戶端調用write()發送請求給伺服器，伺服器收到後從read()返回，對客戶端的請求進行處理，在此期間客戶端調用read()阻塞等待伺服器的應答，伺服器調用write()將處理結果發回給客戶端，再次調用read()阻塞等待下一條請求，客戶端收到後從read()返回，發送下一條請求，如此迴圈下去。

如果客戶端沒有更多的請求了，就調用close()關閉連接，就像寫端關閉的管道一樣，伺服器的read()返回0，這樣伺服器就知道客戶端關閉了連接，也調用close()關閉連接。註意，任何一方調用close()後，連接的兩個傳輸方向都關閉，不能再發送數據了。如果一方調用shutdown()則連接處於半關閉狀態，仍可接收對方發來的數據。

客戶端

public class EchoClient {
	public static int DEFAULT_PORT = 9999;
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		int port;
        try {
			port = Integer.parseInt(args[0]);
		} catch(RuntimeException e) {
        	port = DEFAULT_PORT;
		}
		Socket socket = new Socket("127.0.0.1", port);
		//鍵盤輸入
		BufferedReader buff = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		//Socket輸出流,自動刷新
		PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        //Socket輸入流，讀取服務端的數據並返回的大寫數據
		BufferedReader buffin = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String line = null;
        while((line = buff.readLine()) != null) {
        	if("stop".equals(line)) {
        		break;
			}
        	out.println(line);
			// 讀取服務端返回的一行大寫數據
			System.out.println(buffin.readLine());
		}

	}
}

也可使用linux下的nc命令代替客戶端

服務端

public class EchoServer {
	public static int DEFAULT_PORT = 9999;

	public static void main(String[] args){
		int port;
		try {
			port = Integer.parseInt(args[0]);
		} catch(RuntimeException e){
			port = DEFAULT_PORT;
		}

		try {
			ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
			Socket clientSocket = serverSocket.accept();
			String ip = clientSocket.getInetAddress().getHostAddress();
			System.out.println("port : " + port + '\t' + "ipaddress : " + ip);
			//server 輸出流對應client輸入流，反之亦然
			PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
			BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
			String inputline ;
			while((inputline = in.readLine()) != null){
				System.out.println(inputline);
				out.println(inputline.toUpperCase());
			}
		} catch (IOException e) {
			System.out.println("Exception caught when trying to listen on port" + port + "or listening for a connection");
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

同步與非同步

描述的是用戶線程與內核的交互方式或者說關註的是消息通信機制：

同步是指用戶線程發起 I/O 請求後需要等待（堵塞）或者輪詢（非堵塞）內核 I/O 操作完成後才能繼續執行；
非同步是指用戶線程發起 I/O 請求後仍繼續執行，當內核 I/O 操作完成後會通知用戶線程，或者調用用戶線程註冊的回調函數。

堵塞與非堵塞

關註的是用戶線程調用內核 I/O 操作時，用戶線程等待I/O操作完成前是否能做其他的事情：

阻塞是指 I/O 操作需要徹底完成後才返回到用戶空間；
非阻塞是指 I/O 操作被調用後立即返回給用戶一個狀態值，無需等到 I/O 操作徹底完成。

阻塞與非阻塞主要是程式（線程）等待消息通知時的狀態角度，同步與非同步主要是從消息機制角度來說，這兩組概念組合為四種情況，下麵舉幾個網上的例子：

同步堵塞李華點火燒水，中間啥事也沒乾，並一直等到水開（阻塞），水開了山治關火（同步）
同步非堵塞（輪詢方式）李華點火燒水，中間去看了電視，時不時看看水開了嘛（非阻塞），水開了山治關火（同步）
非同步堵塞李華使用電水壺燒水，並一直等待電水壺燒水（阻塞），中間啥也沒乾，水開了自動斷電（非同步）。
非同步非堵塞李華使用電水壺燒水，然後去看電視了（非阻塞），沒有再管燒水壺，水開了自動斷電（非同步）。

IO模型演進

IO操作發生時會經歷兩個階段：

用戶進程等待系統內核數據準備
將數據從內核拷貝到用戶進程中

下麵簡單介紹常見的五種 I/O 模型：

阻塞 I/O
非阻塞 I/O
I/O 復用（select 和 poll）
信號驅動I/O（SIGIO）
非同步 I/O

本節中將recvfrom函數視為系統調用。一般recvfrom函數的實現都有一個從應用程式進程中運行到內核中運行的切換，一段時間後再跟一個返回應用進程的切換。

阻塞 I/O

請求無法立即完成則保持阻塞。

等待數據就緒。網路I/O的情況就是等待遠端數據陸續抵達；磁碟I/O的情況就是等待磁碟數據從磁碟上讀取到內核態記憶體中。
數據複製。出於系統安全考慮，用戶態的程式沒有許可權直接讀取內核態記憶體，因此內核負責把內核態記憶體中的數據複製一份到用戶態記憶體中。

進程阻塞的整段時間是指從調用recvfrom函數開始到它返回的這段時間，當進程返回成功提示時，應用進程開始處理數據報。

非阻塞 I/O
　　　　　　　　　　　　　　　

socket設置為NONBLOCK（非阻塞）就是告訴內核，當所請求的I/O操作無法完成時，不要讓進程進入睡眠狀態，而是立刻返回一個錯誤碼（EWOULDBLOCK），這樣請求就不會阻塞；
I/O操作函數將不斷地測試數據是否已經準備好，如果沒有準備好，則繼續測試，直到數據準備好為止。在整個I/O請求的過程中，雖然用戶線程每次發起I/O請求後可以立即返回，但是為了等到數據，仍需輪詢、重覆請求，而這是對CPU時間的極大浪費。
數據準備好了，從內核覆制到用戶空間。

I/O 復用(非同步堵塞I/O)

I/O 多路復用會用到 select 或者 poll 函數，這兩個函數也會使進程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，這兩個函數可以同時阻塞多個 I/O 操作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的 I/O 函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正調用 I/O 操作函數。

從流程上看，使用select函數進行I/O請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操作，效率更差。但是，使用select函數的優勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的I/O請求。用戶可以註冊多個socket，然後不斷地調用select來讀取被激活的socket，達到在同一個線程內同時處理多個I/O請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。

I/O復用模型使用Reactor設計模式實現了這一機制。

調用select或poll函數的方法由一個用戶態線程負責輪詢多個socket，直到階段1的數據就緒，再通知實際的用戶線程執行階段2的複製操作。通過一個專職的用戶態線程執行非阻塞I/O輪詢，模擬實現階段1的非同步化。

信號驅動I/O
　　　　　　　　　　　　　　　　　　