一文讀懂高性能網絡編程中的I/O模型
1、前言
隨著互聯網的發展，面對海量用戶高並發業務，傳統的阻塞式的服務端架構模式已經無能為力。本文（和下篇《高性能網絡編程(六)：一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型》）旨在為大家提供有用的高性能網絡編程的I/O模型概覽以及網絡服務進程模型的比較，以揭開設計和實現高性能網絡架構的神秘面紗。
限於篇幅原因，請將本文與《高性能網絡編程(六)：一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型》連起來讀，這樣會讓知識更連貫。
學習交流：
- 即時通訊開發交流3群：185926912[推薦]
- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM》
（本文同步發布於：http://www.52im.net/thread-1935-1-1.html）
2、關於作者
陳彩華（caison）：主要從事服務端開發、需求分析、系統設計、優化重構工作，主要開發語言是 Java，現任廣州貝聊服務端研發工程師。
關於廣州貝聊：
廣州市貝聊信息科技有限公司成立於2013年8月21日，是一家專註於搭建幼兒園家園共育平臺的信息科技公司。
公司產品“貝聊”是中國幼兒園家長工作平臺，致力於通過互聯網產品及定制化解決方案，幫助幼兒園解決展示、通知、溝通等家長工作中的痛點，促進家園關系和諧。貝聊是威創股份（A股幼教第一股）、清華啟迪、網易聯手投資的唯一品牌。
截止目前，“貝聊”已覆蓋全國31省份的5萬所幼兒園及機構，註冊用戶超過1000萬，用戶次月留存率高達74%，復合增長率為18.94%，領跑全行業。
3、C10K問題系列文章
本文是C10K問題系列文章中的第5篇，總目錄如下：
《高性能網絡編程(一)：單臺服務器並發TCP連接數到底可以有多少》
《高性能網絡編程(二)：上一個10年，著名的C10K並發連接問題》
《高性能網絡編程(三)：下一個10年，是時候考慮C10M並發問題了》
《高性能網絡編程(四)：從C10K到C10M高性能網絡應用的理論探索》
《高性能網絡編程(五)：一文讀懂高性能網絡編程中的I/O模型》（本文）
《高性能網絡編程(六)：一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型》
《高性能網絡編程經典：《The C10K problem(英文)》[附件下載]》
4、互聯網服務端處理網絡請求的原理
首先看看一個典型互聯網服務端處理網絡請求的典型過程：
由上圖可以看到，主要處理步驟包括：
1）獲取請求數據，客戶端與服務器建立連接發出請求，服務器接受請求（1-3）；
2）構建響應，當服務器接收完請求，並在用戶空間處理客戶端的請求，直到構建響應完成（4）；
3）返回數據，服務器將已構建好的響應再通過內核空間的網絡 I/O 發還給客戶端（5-7）。
設計服務端並發模型時，主要有如下兩個關鍵點：
1）服務器如何管理連接，獲取輸入數據；
2）服務器如何處理請求。
以上兩個關鍵點最終都與操作系統的 I/O 模型以及線程(進程)模型相關，這也是本文和下篇《高性能網絡編程(六)：一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型》將要介紹的內容。下面先詳細介紹這I/O模型。
5、“I/O 模型”的基本認識
介紹操作系統的 I/O 模型之前，先了解一下幾個概念：
1）阻塞調用與非阻塞調用；
2）阻塞調用是指調用結果返回之前，當前線程會被掛起，調用線程只有在得到結果之後才會返回；
3）非阻塞調用指在不能立刻得到結果之前，該調用不會阻塞當前線程。
兩者的最大區別在於被調用方在收到請求到返回結果之前的這段時間內，調用方是否一直在等待。
阻塞是指調用方一直在等待而且別的事情什麽都不做；非阻塞是指調用方先去忙別的事情。
同步處理與異步處理：同步處理是指被調用方得到最終結果之後才返回給調用方；異步處理是指被調用方先返回應答，然後再計算調用結果，計算完最終結果後再通知並返回給調用方。
阻塞、非阻塞和同步、異步的區別（阻塞、非阻塞和同步、異步其實針對的對象是不一樣的）：
1）阻塞、非阻塞的討論對象是調用者；
2）同步、異步的討論對象是被調用者。
recvfrom 函數：
recvfrom 函數(經 Socket 接收數據)，這裏把它視為系統調用。
一個輸入操作通常包括兩個不同的階段：
1）等待數據準備好；
2）從內核向進程復制數據。
對於一個套接字上的輸入操作，第一步通常涉及等待數據從網絡中到達。當所等待分組到達時，它被復制到內核中的某個緩沖區。第二步就是把數據從內核緩沖區復制到應用進程緩沖區。
實際應用程序在系統調用完成上面的 2 步操作時，調用方式的阻塞、非阻塞，操作系統在處理應用程序請求時，處理方式的同步、異步處理的不同，可以分為 5 種 I/O 模型（下面的章節將逐個展開介紹）。（參考《UNIX網絡編程卷1》）
6、I/O模型1：阻塞式 I/O 模型(blocking I/O）
在阻塞式 I/O 模型中，應用程序在從調用 recvfrom 開始到它返回有數據報準備好這段時間是阻塞的，recvfrom 返回成功後，應用進程開始處理數據報。
比喻：一個人在釣魚，當沒魚上鉤時，就坐在岸邊一直等。
優點：程序簡單，在阻塞等待數據期間進程/線程掛起，基本不會占用 CPU 資源。
缺點：每個連接需要獨立的進程/線程單獨處理，當並發請求量大時為了維護程序，內存、線程切換開銷較大，這種模型在實際生產中很少使用。
7、I/O模型2：非阻塞式 I/O 模型(non-blocking I/O）
在非阻塞式 I/O 模型中，應用程序把一個套接口設置為非阻塞，就是告訴內核，當所請求的 I/O 操作無法完成時，不要將進程睡眠。
而是返回一個錯誤，應用程序基於 I/O 操作函數將不斷的輪詢數據是否已經準備好，如果沒有準備好，繼續輪詢，直到數據準備好為止。
比喻：邊釣魚邊玩手機，隔會再看看有沒有魚上鉤，有的話就迅速拉桿。
優點：不會阻塞在內核的等待數據過程，每次發起的 I/O 請求可以立即返回，不用阻塞等待，實時性較好。
缺點：輪詢將會不斷地詢問內核，這將占用大量的 CPU 時間，系統資源利用率較低，所以一般 Web 服務器不使用這種 I/O 模型。
8、I/O模型3：I/O 復用模型(I/O multiplexing）
在 I/O 復用模型中，會用到 Select 或 Poll 函數或 Epoll 函數(Linux 2.6 以後的內核開始支持)，這兩個函數也會使進程阻塞，但是和阻塞 I/O 有所不同。
這兩個函數可以同時阻塞多個 I/O 操作，而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的 I/O 函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正調用 I/O 操作函數。
比喻：放了一堆魚竿，在岸邊一直守著這堆魚竿，沒魚上鉤就玩手機。
優點：可以基於一個阻塞對象，同時在多個描述符上等待就緒，而不是使用多個線程(每個文件描述符一個線程)，這樣可以大大節省系統資源。
缺點：當連接數較少時效率相比多線程+阻塞 I/O 模型效率較低，可能延遲更大，因為單個連接處理需要 2 次系統調用，占用時間會有增加。
眾所周之，Nginx這樣的高性能互聯網反向代理服務器大獲成功的關鍵就是得益於Epoll。
9、I/O模型4：信號驅動式 I/O 模型（signal-driven I/O)
在信號驅動式 I/O 模型中，應用程序使用套接口進行信號驅動 I/O，並安裝一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。
當數據準備好時，進程會收到一個 SIGIO 信號，可以在信號處理函數中調用 I/O 操作函數處理數據。
比喻：魚竿上系了個鈴鐺，當鈴鐺響，就知道魚上鉤，然後可以專心玩手機。
優點：線程並沒有在等待數據時被阻塞，可以提高資源的利用率。
缺點：信號 I/O 在大量 IO 操作時可能會因為信號隊列溢出導致沒法通知。
信號驅動 I/O 盡管對於處理 UDP 套接字來說有用，即這種信號通知意味著到達一個數據報，或者返回一個異步錯誤。
但是，對於 TCP 而言，信號驅動的 I/O 方式近乎無用，因為導致這種通知的條件為數眾多，每一個來進行判別會消耗很大資源，與前幾種方式相比優勢盡失。
10、I/O模型5：異步 I/O 模型（即AIO，全稱asynchronous I/O）
由 POSIX 規範定義，應用程序告知內核啟動某個操作，並讓內核在整個操作（包括將數據從內核拷貝到應用程序的緩沖區）完成後通知應用程序。
這種模型與信號驅動模型的主要區別在於：信號驅動 I/O 是由內核通知應用程序何時啟動一個 I/O 操作，而異步 I/O 模型是由內核通知應用程序 I/O 操作何時完成。
優點：異步 I/O 能夠充分利用 DMA 特性，讓 I/O 操作與計算重疊。
缺點：要實現真正的異步 I/O，操作系統需要做大量的工作。目前 Windows 下通過 IOCP 實現了真正的異步 I/O。
而在 Linux 系統下，Linux 2.6才引入，目前 AIO 並不完善，因此在 Linux 下實現高並發網絡編程時都是以 IO 復用模型模式為主。
關於AOI的介紹，請見：《Java新一代網絡編程模型AIO原理及Linux系統AIO介紹》。
11、5 種 I/O 模型總結
從上圖中我們可以看出，越往後，阻塞越少，理論上效率也是最優。
這五種 I/O 模型中，前四種屬於同步 I/O，因為其中真正的 I/O 操作(recvfrom)將阻塞進程/線程，只有異步 I/O 模型才與 POSIX 定義的異步 I/O 相匹配。
（本文下篇《高性能網絡編程(六)：一文讀懂高性能網絡編程中的線程模型》已發布，敬請閱讀！）
附錄：更多網絡編程精華文章
[1] 網絡編程基礎資料：
《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：用戶數據報協議》
《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協議》
《TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止》
《TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳》
《技術往事：改變世界的TCP/IP協議（珍貴多圖、手機慎點）》
《通俗易懂-深入理解TCP協議（上）：理論基礎》
《通俗易懂-深入理解TCP協議（下）：RTT、滑動窗口、擁塞處理》
《理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》
《理論聯系實際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》
《計算機網絡通訊協議關系圖（中文珍藏版）》
《UDP中一個包的大小最大能多大？》
《P2P技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
《P2P技術詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解》
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《通俗易懂：快速理解P2P技術中的NAT穿透原理》
《不為人知的網絡編程(一)：淺析TCP協議中的疑難雜癥(上篇)》
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《不為人知的網絡編程(六)：深入地理解UDP協議並用好它》
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《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》
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