服務器端編程經常需要構造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統的IO模型。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認創建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK。

（3）IO多路復用（IO Multiplexing）：即經典的Reactor設計模式，有時也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。

（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式，也稱為異步非阻塞IO。

此文主要講IO多路復用。

I/O是指網絡I/O

多路指多個TCP連接(即socket或者channel）,復用指復用一個或幾個線程。

即：同一個線程內同時處理多個TCP連接。 最大優勢是減少系統開銷小，不必創建/維護過多的線程。

IO多路復用模型是建立在內核提供的多路分離函數select基礎之上的，使用select函數可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 多路分離函數select

如圖1所示，用戶首先將需要進行IO操作的socket添加到select中，然後阻塞等待select系統調用返回。當數據到達時，socket被激活，select函數返回。用戶線程正式發起read請求，讀取數據並繼續執行。

從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操作，效率更差。

但是，使用select以後最大的優勢是用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。

用戶可以註冊多個socket，然後不斷地調用select讀取被激活的socket，即可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。

用戶線程使用select函數的偽代碼描述為：

{

select(socket);

while(1) {

    sockets = select();

    
 
for(socket in sockets) {

        if(can_read(socket)) {

            read(socket, buffer);

            process(buffer);

            }

        }

    }

}

其中while循環前將socket添加到select監視中，然後在while內一直調用select獲取被激活的socket，一旦socket可讀，便調用read函數將socket中的數據讀取出來。

然而，使用select函數的優點並不僅限於此。雖然上述方式允許單線程內處理多個IO請求，但是每個IO請求的過程還是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。

如果用戶線程只註冊自己感興趣的socket或者IO請求，然後去做自己的事情，等到數據到來時再進行處理，則可以提高CPU的利用率。

IO多路復用模型使用了Reactor(反應堆)設計模式實現了這一機制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 Reactor設計模式

如圖2所示，EventHandler抽象類表示IO事件處理器，它擁有IO文件句柄Handle（通過get_handle獲取），以及對Handle的操作handle_event（讀/寫等）。

繼承EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定制。

Reactor類用於管理EventHandler（註冊、刪除等），並使用handle_events實現事件循環，不斷調用同步事件多路分離器（一般是內核）的多路分離函數select，只要某個文件句柄被激活（可讀/寫等），select就返回（阻塞），handle_events就會調用與文件句柄關聯的事件處理器的handle_event進行相關操作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 IO多路復用

如圖3所示，通過Reactor的方式，可以將用戶線程輪詢IO操作狀態的工作統一交給handle_events事件循環進行處理。

用戶線程註冊事件處理器之後可以繼續執行做其他的工作（異步），而Reactor線程負責調用內核的select函數檢查socket狀態。

當有socket被激活時，則通知相應的用戶線程（或執行用戶線程的回調函數），執行handle_event進行數據讀取、處理的工作。

由於select函數是阻塞的，因此多路IO復用模型也被稱為異步阻塞IO模型。

註意，這裏的所說的阻塞是指select函數執行時線程被阻塞，而不是指socket。

一般在使用IO多路復用模型時，socket都是設置為NONBLOCK的，不過這並不會產生影響，因為用戶發起IO請求時，數據已經到達了，用戶線程一定不會被阻塞。

用戶線程使用IO多路復用模型的偽代碼描述為：

void UserEventHandler::handle_event() {

    if(can_read(socket)) {

        read(socket, buffer);

        process(buffer);

    }

}

{

Reactor.register(new UserEventHandler(socket));

}

用戶需要重寫EventHandler的handle_event函數進行讀取數據、處理數據的工作，用戶線程只需要將自己的EventHandler註冊到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循環的偽代碼大致如下。

Reactor::handle_events() {

    while(1) {

        sockets = select();

        for(socket in sockets) {

            get_event_handler(socket).handle_event();

        }

    }

}                

事件循環不斷地調用select獲取被激活的socket，然後根據獲取socket對應的EventHandler，執行器handle_event函數即可。

IO多路復用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”，因為它使用了會阻塞線程的select系統調用。

因此IO多路復用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO。

IO多路復用模型