I/O多路复用，从来没遇到过这么明白的文章
以下文章来源于二马读书 ，作者涛哥
二马读书
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大家好，我是涛哥。
很多对技术有追求的读者朋友，做到一定阶段后都希望技术有所精进。有些读者朋友可能会研究一些中间件的技术架构和实现原理。比如，Nginx为什么能同时支撑数万乃至数十万的连接？为什么单工作线程的Redis性能比多线程的Memcached还要强？Dubbo的底层实现是怎样的，为什么他的通信效率非常高？
实际上，上面的一些问题都和网络模型相关。本文从基础的概念和网络编程开始，循序渐进讲解Linux五大网络模型，包括耳熟能详的多路复用IO模型。相信读完本文，大家会对网络编程和网络模型有一个较清晰的理解。
本文2800字，阅读需要10分钟。百度一百篇，不如收藏这一篇。
基本概念
我们先来了解几个基本概念。
什么是I/O？
所谓的I/O（Input/Output）操作实际上就是输入输出的数据传输行为。程序员最关注的主要是磁盘IO和网络IO，因为这两个IO操作和应用程序的关系最直接最紧密。
磁盘IO：磁盘的输入输出，比如磁盘和内存之间的数据传输。
网络IO：不同系统间跨网络的数据传输，比如两个系统间的远程接口调用。
下面这张图展示了应用程序中发生IO的具体场景：
通过上图，我们可以了解到IO操作发生的具体场景。一个请求过程可能会发生很多次的IO操作：
1，页面请求到服务器会发生网络IO
2，服务之间远程调用会发生网络IO
3，应用程序访问数据库会发生网络IO
4，数据库查询或者写入数据会发生磁盘IO
阻塞与非阻塞
所谓阻塞，就是发出一个请求不能立刻返回响应，要等所有的逻辑全处理完才能返回响应。
非阻塞反之，发出一个请求立刻返回应答，不用等处理完所有逻辑。
内核空间与用户空间
在Linux中，应用程序稳定性远远比不上操作系统程序，为了保证操作系统的稳定性，Linux区分了内核空间和用户空间。可以这样理解，内核空间运行操作系统程序和驱动程序，用户空间运行应用程序。Linux以这种方式隔离了操作系统程序和应用程序，避免了应用程序影响到操作系统自身的稳定性。这也是Linux系统超级稳定的主要原因。
所有的系统资源操作都在内核空间进行，比如读写磁盘文件，内存分配和回收，网络接口调用等。所以在一次网络IO读取过程中，数据并不是直接从网卡读取到用户空间中的应用程序缓冲区，而是先从网卡拷贝到内核空间缓冲区，然后再从内核拷贝到用户空间中的应用程序缓冲区。对于网络IO写入过程，过程则相反，先将数据从用户空间中的应用程序缓冲区拷贝到内核缓冲区，再从内核缓冲区把数据通过网卡发送出去。
Socket（套接字）
Socket可以理解成，在两个应用程序进行网络通信时，一个应用程序将数据写入Socket，然后通过网卡把数据发送到另外一个应用程序的Socket中。
所有的网络协议都是基于Socket进行通信的，不管是TCP还是UDP协议，应用层的HTTP协议也不例外。这些协议都需要基于Socket实现网络通信。5种网络IO模型也都要基于Socket实现网络通信。实际上，HTTP协议是建立在TCP协议之上的应用层协议。HTTP协议负责如何包装数据，而TCP协议负责如何传输数据。
绝大部分编程语言，都支持Socket编程，例如Java，Php，Python等等。而这些语言的Socket SDK都是基于操作系统提供的 socket() 函数来实现的。不管是Linux还是windows，都提供了相应的 socket() 函数。
Socket 编程过程
我们来看看Socket 编程过程是怎样的。
不管Java、Python还是Php，很多编程语言都支持Socket编程。Linux，Windows等操作系统都开放了网络编程接口。只不过，各种编程语言对底层操作系统提供的网络编程接口做了封装而已。
从服务端开始，服务端首先调用 socket() 函数，按指定的网络协议和传输协议创建 Socket ，例如创建一个网络协议为 IPv4，传输协议为 TCP 的Socket。接着调用 bind() 函数，给这个 Socket 绑定一个 IP 地址和端口，绑定这两个的目的是什么？
- 绑定端口的目的：当内核收到 TCP 报文，通过 TCP 头里的端口号，来找到我们的应用程序，然后把数据传递给我们
- 绑定 IP 地址的目的：一台机器可能有多个网卡，每个网卡都对应一个 IP 地址，只有绑定一个网卡对应的IP时，内核在收到该网卡上的包，才会发给我们的应用程序
绑定完 IP 地址和端口后，就可以调用 listen() 函数进行监听。如果我们要判定服务器上某个网络程序有没有启动，可以通过 netstat 命令查看对应的端口号是否被监听。
服务端进入了监听状态后，通过调用 accept() 函数，来从内核获取客户端的连接，如果没有客户端连接，则会阻塞等待客户端连接的到来。
那客户端是怎么发起连接的呢？客户端在创建好 Socket 后，调用 connect()函数发起连接，该函数的参数要指明服务端的 IP 地址和端口号，然后众所周知的 TCP 三次握手就开始了。
连接建立后，客户端和服务端就开始相互传输数据了，双方可以通过 read()和 write() 函数来读写数据。
基于TCP 协议的 Socket 编程过程就结束了，整个过程如下图所示：
网络IO模型
5种Linux网络IO模型包括：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO和异步IO。
同步阻塞IO
我们先看一下传统阻塞IO。在Linux中，默认情况下所有socket都是阻塞模式的。当用户线程调用系统函数read()，内核开始准备数据（从网络接收数据），内核准备数据完成后，数据从内核拷贝到用户空间的应用程序缓冲区，数据拷贝完成后，请求才返回。从发起read请求到最终完成内核到应用程序的拷贝，整个过程都是阻塞的。为了提高性能，可以为每个连接都分配一个线程。因此，在大量连接的场景下就需要大量的线程，会造成巨大的性能损耗，这也是传统阻塞IO的最大缺陷。
同步非阻塞IO
用户线程在发起Read请求后立即返回，不用等待内核准备数据的过程。如果Read请求没读取到数据，用户线程会不断轮询发起Read请求，直到数据到达（内核准备好数据）后才停止轮询。非阻塞IO模型虽然避免了由于线程阻塞问题带来的大量线程消耗，但是频繁的重复轮询大大增加了请求次数，对CPU消耗也比较明显。这种模型在实际应用中很少使用。
多路复用IO模型
多路复用IO模型，建立在多路事件分离函数select，poll，epoll之上。在发起read请求前，先更新select的socket监控列表，然后等待select函数返回（此过程是阻塞的，所以说多路复用IO并非完全非阻塞）。当某个socket有数据到达时，select函数返回。此时用户线程才正式发起read请求，读取并处理数据。这种模式用一个专门的监视线程去检查多个socket，如果某个socket有数据到达就交给工作线程处理。由于等待Socket数据到达过程非常耗时，所以这种方式解决了阻塞IO模型一个Socket连接就需要一个线程的问题，也不存在非阻塞IO模型忙轮询带来的CPU性能损耗的问题。多路复用IO模型的实际应用场景很多，比如大家耳熟能详的Java NIO，Redis，Nginx以及Dubbo采用的通信框架Netty都采用了这种模型。
下图是基于select函数Socket编程的详细流程。
用一句话解释多路复用模型。多路：可以理解成多个网络连接（TCP连接）。复用：服务端反复使用同一个线程去监听所有网络连接中是否有IO事件（如果有IO事件就交给工作线程从对应的连接中读取并处理数据）。
信号驱动IO模型
信号驱动IO模型，应用进程使用sigaction函数，内核会立即返回，也就是说内核准备数据的阶段应用进程是非阻塞的。内核准备好数据后向应用进程发送SIGIO信号，接到信号后数据被复制到应用程序进程。
采用这种方式，CPU的利用率很高。不过这种模式下，在大量IO操作的情况下可能造成信号队列溢出导致信号丢失，造成灾难性后果。
异步IO模型
异步IO模型的基本机制是，应用进程告诉内核启动某个操作，内核操作完成后再通知应用进程。在多路复用IO模型中，socket状态事件到达，得到通知后，应用进程才开始自行读取并处理数据。在异步IO模型中，应用进程得到通知时，内核已经读取完数据并把数据放到了应用进程的缓冲区中，此时应用进程
直接使用数据即可。
很明显，异步IO模型性能很高。不过到目前为止，异步IO和信号驱动IO模型应用并不多见，传统阻塞IO和多路复用IO模型还是目前应用的主流。Linux2.6版本后才引入异步IO模型，目前很多系统对异步IO模型支持尚不成熟。很多应用场景采用多路复用IO替代异步IO模型。