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五种 IO 模型

在计算机网络和操作系统中，I/O（输入/输出）模型描述了程序如何与外部设备（如磁盘、网络接口等）进行数据交互，不同的I/O模型在处理I/O操作时的行为和性能表现各有不同。以下是五种常见的I/O模型及其特点。

阻塞I/O（Blocking I/O）

阻塞I/O是最简单的I/O模型。在这种模型中，当一个线程发起I/O操作时，它会被阻塞，直到I/O操作完成。线程在等待I/O操作完成期间无法执行其他任务。

在内核将数据准备好之前， 系统调用会一直等待， 所有的套接字 默认都是阻塞方式，下图以UDP为例。

• 优点：

  • 编程简单直观，易于理解和实现。

• 缺点：

  • 阻塞期间线程无法执行其他任务，资源利用率低。

  • 在高并发场景下，需要为每个连接创建一个线程，可能导致线程过多，增加系统开销。

非阻塞I/O（Non-blocking I/O）

非阻塞I/O允许线程在发起I/O操作时不被阻塞。如果数据尚未准备好，I/O操作会立即返回一个错误码（如 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。通常需要在循环中不断轮询，直到数据准备好。

如果内核还未将数据准备好 , 系统调用仍然会直接返回, 并且返回错误码，下图以UDP为例。

• 优点：

  • 线程不会被阻塞，可以执行其他任务。

• 缺点：

  • 轮询机制可能导致CPU资源浪费，尤其是在数据未准备好时频繁轮询。

fcntl

在Linux中，可以通过 fcntl 系统调用将套接字设置为非阻塞模式。fcntl 用于修改文件描述符的属性，而套接字本质上也是一种文件描述符。

#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

• fd：文件描述符，标识要操作的文件或对象。

• cmd：指定要执行的命令，如下：

  • 复制一个现有的描述符（cmd=F_DUPFD）

  • 获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD 或 F_SETFD)

  • 获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETFL 或 F_SETFL)

  • 获得/设置异步 I/O 所有权(cmd=F_GETOWN 或 F_SETOWN)

  • 获得/设置记录锁(cmd=F_GETLK,F_SETLK 或 F_SETLKW)

• arg：可选参数设置标志，具体含义取决于 cmd，这些标志包括：

  • O_RDONLY：只读模式

  • O_WRONLY：只写模式

  • O_RDWR：读写模式

  • O_NONBLOCK：非阻塞模式

  • O_APPEND：追加模式

fcntl 的返回值取决于执行的命令。如果操作成功，返回值通常是文件描述符或标志；如果失败，返回 -1 并设置 errno。

实现应用

设置非阻塞套接字如下：

void SetNoBlock(int sockfd)
{int flag = fcntl(sockfd, F_GETFL);if (flag < 0){perror("fcntl");return;}fcntl(sockfd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
}

信号驱动I/O（Signal-driven I/O）

信号驱动I/O模型允许线程在I/O操作准备好时接收信号通知。线程在等待I/O操作时不会被阻塞，而是通过信号处理函数来处理I/O事件。

线程使用 signal 或 sigaction 函数注册一个信号处理函数（如SIGIO），当I/O操作准备好时，系统则可以使用 kill 函数发送信号给线程，线程在信号处理函数中完成I/O操作，下图以UDP为例。

• 优点：

  • 线程不会被阻塞，可以继续执行其他任务。

  • 基于信号机制，响应速度快。

• 缺点：

  • 信号处理函数的执行时间需要严格控制，否则可能影响系统性能。

I/O多路复用（I/O Multiplexing）

I/O多路复用允许一个线程管理多个I/O操作。它通过系统调用（如select 、poll 、epoll）监控多个文件描述符，当其中一个文件描述符准备好时，系统调用返回。

线程调用select()，传入一组文件描述符。系统会阻塞线程，直到至少一个文件描述符准备好。线程可以同时处理多个I/O操作，而不需要为每个I/O操作创建一个线程，下图以UDP为例。

• 优点：

  • 高效利用线程资源，减少线程切换开销。

  • 适合高并发场景，可以同时管理大量连接。

• 缺点：

  • select 和 poll 的性能在大量文件描述符时可能下降，epoll 性能更好。

异步I/O（Asynchronous I/O）

异步I/O模型允许线程发起I/O操作后立即返回，由系统负责完成I/O操作，并在操作完成后通知线程。

线程调用异步I/O接口（如aio_read()、aio_write()），系统会异步执行I/O操作，并在操作完成后通过回调函数或信号通知线程。

• 优点：

  • 线程完全不参与I/O操作，资源利用率最高。

  • 适合高并发场景，可以显著提高系统吞吐量。

• 缺点：

  • 编程复杂度最高，需要处理异步回调逻辑。

  • 对系统支持要求较高，某些系统可能不完全支持异步I/O。

小结

任何 IO 过程中 , 都包含两个步骤 . 第一是 等待 , 第二是 拷贝 . 而且在实际的应用场景中, 等待消耗的时间往往都远远高于拷贝的时间 . 让 IO 更高效 , 最核心的办法就是让等待的时间尽量少.