linux网络中五种不看不懂的IO模型,想成为大牛,不可不看

发布时间：2023-03-02 11:02:04 所属栏目：系统来源：

导读：前言
你知道Netty的功力为何那么高吗?你知道Redis为什么单线程如此之快吗？这都和底层的网络IO模型有关系，所以掌握网络IO模型真的很重要，是一个基础，对你更好的理解其他应用帮助非常大，所以今天我们就好好一条一

前言
你知道Netty的功力为何那么高吗?你知道Redis为什么单线程如此之快吗？这都和底层的网络IO模型有关系，所以掌握网络IO模型真的很重要，是一个基础，对你更好的理解其他应用帮助非常大，所以今天我们就好好一条一条来聊聊Linux的5种常用网络IO优化模型。

IO的性能瓶颈主要是下面两个阶段：

准备阶段，指数据从网络网卡或本地存储器读取到内核的过程
复制阶段，指将内核缓冲区中的数据拷贝至用户的进程缓冲区
所以，Linux系统中提供了五种IO模型来提高性能，它们分别为BIO、NIO、多路复用、信号驱动、AIO，从性能上来说，它们属于依次递进的关系，但越靠后的IO模型实现也越为复杂。

1. 阻如IO模型BIO
当用户应用线程调用linux操作系统的recvfrom函数读取数据的时候，如果内核的buffer内存中没有数据，那么用户线程会阻塞等待，直到内核的buffer内存中有数据了，才去将内核的buffer内存中的数据拷贝到用户应用内存中。

打比方理解：

比如你给女神发一条短信, 说我来找你了, 然后就默默的一直等着女神下楼, 这个期间除了等待你不会做其他事情, 属于备胎做法。也就是说线程会一直阻塞等待内核把数据准备好，然后将数据copy到用户空间。

优点：

开发简单，容易入门；
在阻塞等待期间，用户线程挂起，在挂起期间不会占用CPU资源。
缺点：

在BIO这种模型中，为了支持并发请求，通常会采用多线程的方式，并发过高时会导致创建大量线程，造成频繁的上下文切换，甚至系统崩溃。

2. 非阻碍IO模型NIO
当用户应用线程调用linux操作系统的recvfrom函数读取数据的时候，如果内核的buffer内存中没有数据，那么用户线程会直接拿到结果（没有数据）而不会阻塞等待，于是又会发起一次recvfrom函数调用，直到内核的buffer内存中有数据了，才去将内核的buffer内存中的数据拷贝到用户应用内存中。

在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

打比方理解：

比如你给女神发短信, 如果不回, 接着再发, 一直发到女神下楼, 这个期间你除了发短信等待不会做其他事情, 属于专一做法。同理，用户线程无需等待内核数据准备结果，直接返回，然后通过轮询去问结果，如果结果为准备好，进程把数据copy到用户空间。

优点：

每次发起IO调用，在内核等待数据的过程中可以立即返回，用户线程不会阻塞。
缺点：

多个线程不断轮询内核是否有数据，会占用大量CPU时间。
NIO相对来说较为鸡肋，因此目前大多数的NIO技术并非采用这种多线程的模型，而是基于单线程的多路复用模型实现的，Java中支持的NIO模型亦是如此。

3. 多路复用IO模型
前面提到NIO由于线程在不断的轮询查看数据是否准备就绪，造成CPU开销较大。既然说是由于大量无效的轮询造成CPU占用过高，那么等内核中的数据准备好了之后，再去询问数据是否就绪是不是就可以了？答案是Yes。这就是我们多路复用IO模型的设计思想。

IO多路复用就是利用Linux的内核单线程去监听多个文件描述符，并在某个文件描述符可读、可写的时候接收到通知，避免无效的等待，充分利用CPU资源。

select时间复杂度O(n)，它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长，而且最多支持的连接数量是1024个。
poll（翻译：轮询）时间复杂度O(n)，poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的。
epoll时间复杂度O(1)，epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）。
打个比方理解：

IO多路复用相当于找一个宿管大妈来帮你监视下楼的女生, 这个期间你可以些其他的事情. 例如可以顺便看看其他妹子,玩玩王者荣耀, 上个厕所等等。IO复用又包括 select、poll、epoll 模式。那么它们的区别是什么?

select大妈每一个女生下楼, select大妈都不知道这个是不是你的女神, 她需要一个一个询问, 并且select大妈能力还有限, 最多一次帮你监视1024个妹子。
poll大妈不限制盯着女生的数量, 只要是经过宿舍楼门口的女生, 都会帮你去问是不是你女神。
epoll大妈不限制盯着女生的数量, 并且也不需要一个一个去问. 那么如何做呢? epoll大妈会为每个进宿舍楼的女生脸上贴上一个大字条,上面写上女生自己的名字, 只要女生下楼了, epoll大妈就知道这个是不是你女神了, 然后大妈再通知你。
通知你之后，你需要到女生宿舍门口，把女神带回自己宿色。

优点：

系统不必创建维护大量线程，只使用一个线程，一个选择器即可同事处理成千上万个连接，大大减少系统开销。
缺点：

本质上，它还是同步的，数据准备好后，拷贝阶段依然是阻塞的。
如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用mutil-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll 的优势并不是对于单个连接能处理得更好，而是在于性能更多的连接，比如Redis、Netty都是采用这种IO模型。都是采用这种io模型。这种方法的好处是可以同时处理多个连接，但是缺点是需要更多的cpu资源，并且对于一些特殊的场景会有一定的限制。

（编辑：驾考网）

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