K60至尊版狂暴引擎2.0加持：超177萬跑分斬獲性能第一
Redmi的后性能時代戰(zhàn)略發(fā)布會今天下午如期舉辦，在本次發(fā)布會上，Redmi公布了多項關于和聯(lián)發(fā)科的深度合作，以及新機K60 Ultra在軟件和硬件方面的特性，例如：“K60 至尊版，雙芯旗艦
大家好，我是程序員田螺。今天我們一起來學習IO模型。在本文開始前呢，先問問大家?guī)讉€問題哈~
什么是IO呢？什么是阻塞非阻塞IO？什么是同步異步IO？什么是IO多路復用？select/epoll跟IO模型有什么關系？有幾種經(jīng)典IO模型呢？BIO、NIO、AIO到底有什么區(qū)別的？
如果這些問題，你都能很好答上的話，那恭喜你，你對IO的掌握已經(jīng)很棒啦！那你跟田螺哥一起看完這篇文章，再復習一下，加深印象吧~如果你對這些問題模棱兩可的話，那也沒關系，看完這篇文章，就理解啦！
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IO，英文全稱是Input/Output，翻譯過來就是輸入/輸出。平時我們聽得挺多，就是什么磁盤IO，網(wǎng)絡IO。那IO到底是什么呢？是不是有種懵懵懂懂的感覺呀，好像大概知道它是什么，又好像說不清楚。
IO，即輸入/輸出，到底誰是輸入？誰是輸出呢？IO如果脫離了主體，就會讓人疑惑。
我們常說的輸入輸出，比較直觀的意思就是計算機的輸入輸出，計算機就是主體。大家是否還記得，大學學計算機組成原理的時候，有個馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，它將計算機分成分為5個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。
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輸入設備是向計算機輸入數(shù)據(jù)和信息的設備，鍵盤，鼠標都屬于輸入設備；輸出設備是計算機硬件系統(tǒng)的終端設備，用于接收計算機數(shù)據(jù)的輸出顯示，一般顯示器、打印機屬于輸出設備。
例如你在鼠標鍵盤敲幾下，它就會把你的指令數(shù)據(jù)，傳給主機，主機通過運算后，把返回的數(shù)據(jù)信息，輸出到顯示器。
鼠標、顯示器這只是直觀表面的輸入輸出，回到計算機架構(gòu)來說，涉及計算機核心與其他設備間數(shù)據(jù)遷移的過程，就是IO。如磁盤IO，就是從磁盤讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，這算一次輸入，對應的，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，就算輸出。這就是IO的本質(zhì)。
我們要將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入到磁盤的話，主體會是什么呢？主體可能是一個應用程序，比如一個Java進程（假設網(wǎng)絡傳來二進制流，一個Java進程可以把它寫入到磁盤）。
操作系統(tǒng)負責計算機的資源管理和進程的調(diào)度。我們電腦上跑著的應用程序，其實是需要經(jīng)過操作系統(tǒng)，才能做一些特殊操作，如磁盤文件讀寫、內(nèi)存的讀寫等等。因為這些都是比較危險的操作，不可以由應用程序亂來，只能交給底層操作系統(tǒng)來。也就是說，你的應用程序要把數(shù)據(jù)寫入磁盤，只能通過調(diào)用操作系統(tǒng)開放出來的API來操作。
- 什么是用戶空間？什么是內(nèi)核空間?
- 以32位操作系統(tǒng)為例，它為每一個進程都分配了4G(2的32次方)的內(nèi)存空間。這4G可訪問的內(nèi)存空間分為二部分，一部分是用戶空間，一部分是內(nèi)核空間。內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問的區(qū)域，是受保護的內(nèi)存空間，而用戶空間是用戶應用程序訪問的內(nèi)存區(qū)域。
我們應用程序是跑在用戶空間的，它不存在實質(zhì)的IO過程，真正的IO是在操作系統(tǒng)執(zhí)行的。即應用程序的IO操作分為兩種動作：IO調(diào)用和IO執(zhí)行。IO調(diào)用是由進程（應用程序的運行態(tài)）發(fā)起，而IO執(zhí)行是操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作。此時所說的IO是應用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)IO功能的一次觸發(fā)，即IO調(diào)用。
應用程序發(fā)起的一次IO操作包含兩個階段：
操作系統(tǒng)內(nèi)核完成IO操作還包括兩個過程：
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其實IO就是把進程的內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到外部設備，或者把外部設備的數(shù)據(jù)遷移到進程內(nèi)部。外部設備一般指硬盤、socket通訊的網(wǎng)卡。一個完整的IO過程包括以下幾個步驟：
我們已經(jīng)知道IO是什么啦，那什么是阻塞IO呢？
假設應用程序的進程發(fā)起IO調(diào)用，但是如果內(nèi)核的數(shù)據(jù)還沒準備好的話，那應用程序進程就一直在阻塞等待，一直等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，才返回成功提示，此次IO操作，稱之為阻塞IO。
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如果內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒準備好，可以先返回錯誤信息給用戶進程，讓它不需要等待，而是通過輪詢的方式再來請求。這就是非阻塞IO，流程圖如下：
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非阻塞IO的流程如下：
非阻塞IO模型，簡稱NIO，Non-Blocking IO。它相對于阻塞IO，雖然大幅提升了性能，但是它依然存在性能問題，即頻繁的輪詢，導致頻繁的系統(tǒng)調(diào)用，同樣會消耗大量的CPU資源。可以考慮IO復用模型，去解決這個問題。
既然NIO無效的輪詢會導致CPU資源消耗，我們等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了，主動通知應用進程再去進行系統(tǒng)調(diào)用，那不就好了嘛？
在這之前，我們先來復習下，什么是文件描述符fd(File Descriptor),它是計算機科學中的一個術語，形式上是一個非負整數(shù)。當程序打開一個現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個新文件時，內(nèi)核向進程返回一個文件描述符。
IO復用模型核心思路：系統(tǒng)給我們提供一類函數(shù)（如我們耳濡目染的select、poll、epoll函數(shù)），它們可以同時監(jiān)控多個fd的操作，任何一個返回內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒，應用進程再發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用。
應用進程通過調(diào)用select函數(shù)，可以同時監(jiān)控多個fd，在select函數(shù)監(jiān)控的fd中，只要有任何一個數(shù)據(jù)狀態(tài)準備就緒了，select函數(shù)就會返回可讀狀態(tài)，這時應用進程再發(fā)起recvfrom請求去讀取數(shù)據(jù)。
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非阻塞IO模型（NIO）中，需要N（N>=1）次輪詢系統(tǒng)調(diào)用，然而借助select的IO多路復用模型，只需要發(fā)起一次詢問就夠了,大大優(yōu)化了性能。
但是呢，select有幾個缺點：
因為存在連接數(shù)限制，所以后來又提出了poll。與select相比，poll解決了連接數(shù)限制問題。但是呢，select和poll一樣，還是需要通過遍歷文件描述符來獲取已經(jīng)就緒的socket。如果同時連接的大量客戶端，在一時刻可能只有極少處于就緒狀態(tài)，伴隨著監(jiān)視的描述符數(shù)量的增長，效率也會線性下降。
因此經(jīng)典的多路復用模型epoll誕生。
為了解決select/poll存在的問題，多路復用模型epoll誕生，它采用事件驅(qū)動來實現(xiàn)，流程圖如下：
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epoll先通過epoll_ctl()來注冊一個fd（文件描述符），一旦基于某個fd就緒時，內(nèi)核會采用回調(diào)機制，迅速激活這個fd，當進程調(diào)用epoll_wait()時便得到通知。這里去掉了遍歷文件描述符的坑爹操作，而是采用監(jiān)聽事件回調(diào)的機制。這就是epoll的亮點。
我們一起來總結(jié)一下select、poll、epoll的區(qū)別
select | poll | epoll | |
底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) | 數(shù)組 | 鏈表 | 紅黑樹和雙鏈表 |
獲取就緒的fd | 遍歷 | 遍歷 | 事件回調(diào) |
事件復雜度 | O(n) | O(n) | O(1) |
最大連接數(shù) | 1024 | 無限制 | 無限制 |
fd數(shù)據(jù)拷貝 | 每次調(diào)用select，需要將fd數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間 | 每次調(diào)用poll，需要將fd數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間 | 使用內(nèi)存映射(mmap)，不需要從用戶空間頻繁拷貝fd數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間 |
epoll明顯優(yōu)化了IO的執(zhí)行效率，但在進程調(diào)用epoll_wait()時，仍然可能被阻塞。能不能醬紫：不用我老是去問你數(shù)據(jù)是否準備就緒，等我發(fā)出請求后，你數(shù)據(jù)準備好了通知我就行了，這就誕生了信號驅(qū)動IO模型。
信號驅(qū)動IO不再用主動詢問的方式去確認數(shù)據(jù)是否就緒，而是向內(nèi)核發(fā)送一個信號（調(diào)用sigaction的時候建立一個SIGIO的信號），然后應用用戶進程可以去做別的事，不用阻塞。當內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好后，再通過SIGIO信號通知應用進程，數(shù)據(jù)準備好后的可讀狀態(tài)。應用用戶進程收到信號之后，立即調(diào)用recvfrom，去讀取數(shù)據(jù)。
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信號驅(qū)動IO模型，在應用進程發(fā)出信號后，是立即返回的，不會阻塞進程。它已經(jīng)有異步操作的感覺了。但是你細看上面的流程圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)復制到應用緩沖的時候，應用進程還是阻塞的。回過頭來看下，不管是BIO，還是NIO，還是信號驅(qū)動，在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復制到應用緩沖的時候，都是阻塞的。還有沒有優(yōu)化方案呢？AIO（真正的異步IO）！
前面講的BIO，NIO和信號驅(qū)動，在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復制到應用緩沖的時候，都是阻塞的，因此都不算是真正的異步。AIO實現(xiàn)了IO全流程的非阻塞，就是應用進程發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用后，是立即返回的，但是立即返回的不是處理結(jié)果，而是表示提交成功類似的意思。等內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好，將數(shù)據(jù)拷貝到用戶進程緩沖區(qū)，發(fā)送信號通知用戶進程IO操作執(zhí)行完畢。
流程如下：
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異步IO的優(yōu)化思路很簡單，只需要向內(nèi)核發(fā)送一次請求，就可以完成數(shù)據(jù)狀態(tài)詢問和數(shù)據(jù)拷貝的所有操作，并且不用阻塞等待結(jié)果。日常開發(fā)中，有類似思想的業(yè)務場景：
比如發(fā)起一筆批量轉(zhuǎn)賬，但是批量轉(zhuǎn)賬處理比較耗時，這時候后端可以先告知前端轉(zhuǎn)賬提交成功，等到結(jié)果處理完，再通知前端結(jié)果即可。
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IO模型 | |
阻塞I/O模型 | 同步阻塞 |
非阻塞I/O模型 | 同步非阻塞 |
I/O多路復用模型 | 同步阻塞 |
信號驅(qū)動I/O模型 | 同步非阻塞 |
異步IO（AIO）模型 | 異步非阻塞 |
一個經(jīng)典生活的例子：
本文鏈接：http://www.tebozhan.com/showinfo-26-79297-0.html看一遍就理解：IO模型詳解
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