高性能IO模型浅析

常见的IO模型：

同步阻塞、同步非阻塞、IO多路复用(Reactor设计模式，也叫异步阻塞IO)、异步IO(Proactor设计模式)

 

异步和同步的区别：是描述用户线程和内核的交互方式。

同步：用户线程发起IO请求后需要等待或轮询内核IO操作完成后才能继续执行；

异步：用户线程发起IO请求后仍可继续执行，当内核操作IO完成后会通知用户线程，或调用用户线程注册的回调函数；

阻塞和非阻塞的区别：是描述用户线程调用内核IO的操作方式。

阻塞：IO操作需要彻底完成后才能返回用户空间；

非阻塞：IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等IO操作完成；

 

IO同步阻塞，看附件；

用户线程使用同步阻塞IO的伪代码：

{

read(socket, buffer);

process(buffer);

}

即用户线程需要等待read将socket中的数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。

 

 IO同步非阻塞，看附件：

用户线程使用同步非阻塞IO的伪代码：

{

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

;

process(buffer);

}

用户线程需要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型。

 

IO多路复用模型，看附件：

IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。

用户线程首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。表面看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求，然后去做自己的事情，等到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率。

用户线程使用多路复用技术的伪代码：

{

select(socket);

while(1) {

sockets = select();

for(socket in sockets) {

if(can_read(socket)) {

read(socket, buffer);

process(buffer);

}

}

}

}

 通过Reactor的方式，可以将用户线程轮询IO操作状态的工作统一交给handle_events事件循环进行处理。用户线程注册事件处理器之后可以继续执行做其他的工作（异步），而Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时，则通知相应的用户线程（或执行用户线程的回调函数），执行handle_event进行数据读取、处理的工作。由于select函数是阻塞的，因此多路IO复用模型也被称为异步阻塞IO模型。注意，这里的所说的阻塞是指select函数执行时线程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路复用模型时，socket都是设置为NONBLOCK的，不过这并不会产生影响，因为用户发起IO请求时，数据已经到达了，用户线程一定不会被阻塞。

void UserEventHandler::handle_event() {

if(can_read(socket)) {

read(socket, buffer);

process(buffer);

}

}

 

{

Reactor.register(new UserEventHandler(socket));

}

Reactor::handle_events() {

while(1) {

sockets = select();

for(socket in sockets) {

get_event_handler(socket).handle_event();

}

}

}