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在网络通信中，进程需要频繁的与网络进行数据交互，这个过程会涉及到非常复杂的问题。

应用进程运行在操作系统之上，想要收发网络数据，必须调用操作系统提供的系统接口，由操作系统和互联网交互，真正完成网络通信。
整个流程里，进程不会直接和网络打交道，仅与操作系统交互，依靠发送缓冲区、接收缓冲区这两块内核内存完成数据流转。

缓冲区本质就是一段内存空间，用户进程与操作系统内核均可读写这片内存，以此传递数据：

1. 当操作系统从网络收到数据，会先把数据拷贝到接收缓冲区；之后用户进程调用接口（Linux TCP通信常用recvfrom），就能从接收缓冲区读取数据。
2. 当用户进程需要向外发送数据，先将数据拷贝至发送缓冲区；操作系统内核再读取缓冲区里的数据，发送到网络中。

站在应用进程视角，这一系列数据读写动作就是输入（Input）与输出（Output），简称IO。
简言之：网络通信的本质，是进程和操作系统之间持续进行大批量数据IO拷贝。

但网络环境十分复杂：数据到达速度时快时慢，高速涌入时缓冲区容易溢出；低速时缓冲区又会长时间没有新数据；TCP协议还存在半包、粘包等现象。种种问题，使得网络IO面临的挑战远大于普通文件IO。

针对复杂的网络场景，如何高效实现进程与缓冲区之间的数据拷贝，衍生出了经典的五大IO模型。

 
 

同步IO

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一个网络通信的IO过程，可以划分为两步：等待数据就绪、拷贝数据。IO模型讨论的重点，是如何等待数据，因为等待数据需要占用很多时间，而且它带有不可预期的性质，没人知道下一个数据到达是什么时候。

这个过程可以简单理解为取外卖，当你在宿舍楼点了一份外卖，你无法预期外卖什么时候到，那么此时你就有不同的方式去等待这份外卖。

后续会多次使用外卖这个例子，这里简单说明一下取外卖与IO行为的对应关系：

• 等待数据：在宿舍楼楼下等待外卖
• 拷贝数据：把拿到的外卖，提到宿舍楼上
• 处理数据：在宿舍吃外卖

阻塞IO

• 阻塞IO：在数据准备好之前，进程一直等待，直到有数据到达

阻塞IO是所有套接字的默认方式。

这个过程可以理解为，当你点了一份外卖后，你就一直在宿舍楼门口等待外卖小哥，从下单开始，只要外卖小哥不来，你就一直在宿舍楼下等。

简单解释一下这张图片，我把进程的状态分为了三种，分别是红、黄、绿三种颜色。

• 等待数据：这个时候是进程最低效的时候，因为它除了等待啥也不干，几乎可以说是在浪费计算机的资源，占用了系统的时间，还不处理数据
• 拷贝数据：此时数据已经就绪，进程正在把数据从缓冲区拷贝出来
• 处理数据：此时进程已经拿到了数据，正在处理数据，这是进程最高效的时候，因为它拿着计算机的资源，去做了真正有意义的数据处理工作

当进程调用完网络通信的系统调用后，进入了一大段时间的等待，直到内核接收到数据，此时进程才把数据拷贝出来，最后处理数据。

可以看出，这其实是一种非常低效的方式，进程花费了大量的时候在等待数据上。

 

非阻塞IO

• 非阻塞IO：如果数据还没有准备好，系统调用直接返回EWOULDBLOCK错误码，不再等待数据

这种行为可以理解为：当点完外卖后，你就去宿舍楼下看看外卖到了没有，如果没到，就回到宿舍楼上干别的事，过一会再下去看看到了没有，以此类推，直到某一次看到外卖到达，此时就可以把外卖提到楼上（数据拷贝），最后吃饭（处理数据）了。

如图所示：

当调用系统调用后，系统调用会检查数据是否就绪，如果没有就绪，那么返回EWOULDBLOCK错误码，表示没有数据可以读取。当进程知道数据没有到达，那么可以先去做别的事情，如此往复。直到某一次执行系统调用，发现数据就绪，那么进程开始拷贝数据，最后处理数据。

在图片中，要解释三个注意点：

1. 在进程调用系统调用和返回 EWOULDBLOCK 期间，进程进入了短暂的红色等待数据状态，这是因为调用函数，检查数据是否就绪，这是有成本的。就像取外卖的过程中，一直上下楼是需要消耗体力的。
2. 当进程接收到 EWOULDBLOCK，进程会进入一段时间的绿色处理数据状态，这个时候处理的数据不一定是网络数据，也可以是其他数据，只要进程在真真正正的处理业务，那么计算机的资源就不算浪费。就像取外卖过程中，你虽然没有取到外卖，但是回到宿舍后，你依然可以去写一个小题目，开一局小游戏，这样都不算浪费时间。
3. 系统调用本身就是用来读取数据的，阻塞IO与非阻塞IO，调用的函数是完全一样的，只是函数的行为不同。所以最后一次进程调用了相同的系统调用，它直接进入了拷贝数据的状态，因为这个函数最初的功能，就是拷贝数据。只是说，在阻塞IO中只要函数返回，那么数据一定准备好了。但是在非阻塞IO中，函数返回后数据也不一定准备好了，还需要检查一下错误码 EWOULDBLOCK 来判断。

非阻塞IO虽然看起来比阻塞IO处理数据的时间更多，也就是CPU处理真正有用数据的占比更高。但是其实反复调用系统调用，检查数据是否就绪，是要消耗大量CPU资源的，所以其实很少用这种非阻塞IO，这个反复检查数据是否就绪的过程，称为轮询。

就好像在取外卖的过程中，你需要反复上下楼梯很多次，虽然说每次你回到宿舍，可以把时间利用起来做其他事情，但是这对你的体力是很大的消耗。

 

信号驱动IO

• 信号驱动IO：内核把数据准备好后，发送信号SIGIO通知进程

这一模式和外卖软件的场景十分贴合：下单后，你无需守在楼下等待，也不用反复下楼查看。只需等待手机送达通知；收到提醒后，再下楼提取外卖（拷贝数据），最后回宿舍用餐（处理数据）。
如图所示：

当进程开始通信后，进程调用一个 sigaction 的系统调用，这个函数可以指定信号的处理方式，此处指定的是 SIGIO 信号的处理方式。

当指定完信号的处理方式后，进程就可以去做自己的事情了，进入了长时间的绿色处理数据状态，只不过处理的是其它的数据，不是网络数据。

直到内核把数据准备完毕，给进程发送了一个 SIGIO 信号，此时进程就去执行先前通过 sigaction 预设的函数，把数据拷贝出来，最后处理数据。

可以看出，这种方式下，进程可以省去大量的等待数据所消耗的时间，把精力放在处理数据上面。

 

多路转接IO

• 多路转接IO：同时等待多个网络数据，只要任意一个就绪，就返回

这种行为像是一个宿舍内部有多个人点了外卖，最后决定让同一个人去取，那么这个人就去宿舍楼下一直等，只要有任何一个人的外卖到了，就提到宿舍楼上。随后再下去等待下一个外卖。

如图所示：

多路转接存在多种实现方案，这里以系统调用 select 为例进行说明。select 能够同时监听多个网络套接字；只要任意一个套接字的数据就绪，select 就会返回，随后程序便可执行数据拷贝与数据处理流程。

⚠️ 重点区分：select 仅负责检测数据是否就绪，本身不参与数据拷贝，它只起到就绪通知的作用。检测到就绪后，仍然需要调用专门的数据读取系统调用获取数据。

select 拥有多种使用模式，既可以在单进程内监听多个套接字，也支持多进程协作，典型场景如下：

1. 单进程场景
   一个进程维护大量套接字，借助 select 同时对所有套接字进行就绪检测。一旦某个套接字数据就绪，进程立刻执行数据拷贝、业务处理，之后再次调用 select 等待下一次数据到达。
2. 多进程场景
   多个进程各自管理套接字，可将就绪检测任务统一交给单独一个进程。该进程仅调用 select 监控数据状态；当数据就绪时，通知其他进程完成数据拷贝与业务处理。

这套思路同样可以延伸至多线程模型，实现方式较多，此处不再展开。

如果仔细观察，可以发现多路转接IO和阻塞IO非常非常像，如下图所示：

左侧为多路转接IO，右侧为阻塞IO，二者表面相似，但存在两处核心区别：

1. 系统调用拆分不同
   阻塞IO全程只调用一个系统调用，该调用同时完成「等待数据」与「拷贝数据」两个阶段。
   多路转接IO将两个阶段拆分：由select负责等待数据；当检测到数据就绪后，还需要额外调用一套独立系统调用，完成数据拷贝。
   这也是多路转接IO流程多出两步操作的原因：select调用返回、再次发起读取调用拷贝数据。

2. 监听能力不同
   多路转接IO的有效等待耗时更短。select能够同时监听多个套接字；而阻塞IO同一时刻只能等待单个套接字。监听的套接字数量越多，平均等待到数据的间隔就越短。

沿用外卖例子辅助理解：
假设宿舍4个人分别下单外卖，一份外卖平均等待30分钟，每隔5分钟就有一人下单。
阻塞IO模式：4个人下单后各自守在楼下，每个人只等待自己的外卖，总体等待时长累加，合计等待2小时。

虽然最后总时长只用了45min，但是其中存在大量的重叠时间，这样就同时在浪费多个人的时间，所以实际浪费的时间是2h。

而多路转接IO就是四个人中，只派出一个同时等待四个人的外卖，等到了一个外卖，就拿一份外卖。

当让一个人同时等待四份外卖后，那么其他人点完外卖就可以处理自己的数据了，最后其实只有一个人在等待，实际等待的时间就是分钟。

可以看出多路转接IO在面对多个套接字情况下，是非常高效的。因为它避免了多个进程同时等待，节省了这些重叠的时间。当多路转接同时处理的套接字越多，那么它的优势就越明显，面对多个套接字的情况下，它是所有同步IO中最高效的一种。

 
 

异步IO

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• 异步IO：由内核完成等待数据和拷贝数据的过程，最终进程可以直接处理数据

这种模式类似于送上门的外卖，当你下单了一份外卖，外卖直接送到你宿舍内部，不再需要你亲自下楼去拿。

如图所示：

当进程准备接收网络数据时，调用 aio_read 直接把任务交给Linux内核，随后内核就会完成所有工作，比如等待数据，拷贝数据等等。最后把数据放在进程指定的位置，发送一个信号给进程，告知数据到达，进程就可以直接处理数据了。

而在进程告知内核去读取网络数据后，进程自己完全处于空闲状态，可以去处理其它任务，这就是异步IO。

异步IO和信号驱动IO有点像，都是发送信号告知进程数据到达，但是两者区别其实很大：

左侧是异步IO，右侧是信号驱动IO。可以发现，异步IO的信号发送后，数据已经可以直接处理了，但是信号驱动IO下，只是告知进程数据已经到达内核了，但是数据还需要由进程自己进行拷贝。

这也就是IO模型中，异步与同步最本质的区别：

• 异步：由内核完成数据拷贝，进程可以直接处理数据
• 同步：由进程自己把内核中的数据拷贝出来