IO多路复用机制详解
高性能IO模型浅析编程
服务器端编程常常须要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四种：设计模式
（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统的IO模型。服务器
（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认建立的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并不是Java的NIO（New IO）库。网络
（3）IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。多线程
（4）异步IO（Asynchronous IO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。架构
同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式：同步是指用户线程发起IO请求后须要等待或者轮询内核IO操做完成后才能继续执行；而异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操做完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。并发
阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操做的方式：阻塞是指IO操做须要完全完成后才返回到用户空间；而非阻塞是指IO操做被调用后当即返回给用户一个状态值，无需等到IO操做完全完成。异步
另外，Richard Stevens 在《Unix 网络编程》卷1中提到的基于信号驱动的IO（Signal Driven IO）模型，因为该模型并不经常使用，本文不做涉及。接下来，咱们详细分析四种常见的IO模型的实现原理。为了方便描述，咱们统一使用IO的读操做做为示例。socket
1、同步阻塞IO函数
同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操做时被阻塞。
图1 同步阻塞IO
如图1所示，用户线程经过系统调用read发起IO读操做，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，而后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操做。
用户线程使用同步阻塞IO模型的伪代码描述为：
{
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
即用户须要等待read将socket中的数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程当中，用户线程是被阻塞的，这致使用户在发起IO请求时，不能作任何事情，对CPU的资源利用率不够。
2、同步非阻塞IO
同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基础上，将socket设置为NONBLOCK。这样作用户线程能够在发起IO请求后能够当即返回。
图2 同步非阻塞IO
如图2所示，因为socket是非阻塞的方式，所以用户线程发起IO请求时当即返回。但并未读取到任何数据，用户线程须要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。
用户线程使用同步非阻塞IO模型的伪代码描述为：
{
while(read(socket, buffer) != SUCCESS)
;
process(buffer);
}
即用户须要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程当中，虽然用户线程每次发起IO请求后能够当即返回，可是为了等到数据，仍须要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。通常不多直接使用这种模型，而是在其余IO模型中使用非阻塞IO这一特性。
3、IO多路复用
IO多路复用模型是创建在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数能够避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。
图3 多路分离函数select
如图3所示，用户首先将须要进行IO操做的socket添加到select中，而后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。
从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操做，效率更差。可是，使用select之后最大的优点是用户能够在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户能够注册多个socket，而后不断地调用select读取被激活的socket，便可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须经过多线程的方式才能达到这个目的。
用户线程使用select函数的伪代码描述为：
{
select(socket);
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
}
}
其中while循环前将socket添加到select监视中，而后在while内一直调用select获取被激活的socket，一旦socket可读，便调用read函数将socket中的数据读取出来。
然而，使用select函数的优势并不只限于此。虽然上述方式容许单线程内处理多个IO请求，可是每一个IO请求的过程仍是阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。若是用户线程只注册本身感兴趣的socket或者IO请求，而后去作本身的事情，等到数据到来时再进行处理，则能够提升CPU的利用率。
IO多路复用模型使用了Reactor设计模式实现了这一机制。
图4 Reactor设计模式
如图4所示，EventHandler抽象类表示IO事件处理器，它拥有IO文件句柄Handle（经过get_handle获取），以及对Handle的操做handle_event（读/写等）。继承于EventHandler的子类能够对事件处理器的行为进行定制。Reactor类用于管理EventHandler（注册、删除等），并使用handle_events实现事件循环，不断调用同步事件多路分离器（通常是内核）的多路分离函数select，只要某个文件句柄被激活（可读/写等），select就返回（阻塞），handle_events就会调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操做。
图5 IO多路复用
如图5所示，经过Reactor的方式，能够将用户线程轮询IO操做状态的工做统一交给handle_events事件循环进行处理。用户线程注册事件处理器以后能够继续执行作其余的工做（异步），而Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时，则通知相应的用户线程（或执行用户线程的回调函数），执行handle_event进行数据读取、处理的工做。因为select函数是阻塞的，所以多路IO复用模型也被称为异步阻塞IO模型。注意，这里的所说的阻塞是指select函数执行时线程被阻塞，而不是指socket。通常在使用IO多路复用模型时，socket都是设置为NONBLOCK的，不过这并不会产生影响，由于用户发起IO请求时，数据已经到达了，用户线程必定不会被阻塞。
用户线程使用IO多路复用模型的伪代码描述为：
void UserEventHandler::handle_event() {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
{
Reactor.register(new UserEventHandler(socket));
}
用户须要重写EventHandler的handle_event函数进行读取数据、处理数据的工做，用户线程只须要将本身的EventHandler注册到Reactor便可。Reactor中handle_events事件循环的伪代码大体以下。
Reactor::handle_events() {
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
get_event_handler(socket).handle_event();
}
}
}
事件循环不断地调用select获取被激活的socket，而后根据获取socket对应的EventHandler，执行器handle_event函数便可。
IO多路复用是最常使用的IO模型，可是其异步程度还不够“完全”，由于它使用了会阻塞线程的select系统调用。所以IO多路复用只能称为异步阻塞IO，而非真正的异步IO。
4、异步IO
“真正”的异步IO须要操做系统更强的支持。在IO多路复用模型中，事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用便可。
异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。
图6 Proactor设计模式
如图6，Proactor模式和Reactor模式在结构上比较类似，不过在用户（Client）使用方式上差异较大。Reactor模式中，用户线程经过向Reactor对象注册感兴趣的事件监听，而后事件触发时调用事件处理函数。而Proactor模式中，用户线程将AsynchronousOperation（读/写等）、Proactor以及操做完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步操做API（读/写等）供用户使用，当用户线程调用异步API后，便继续执行本身的任务。AsynchronousOperationProcessor 会开启独立的内核线程执行异步操做，实现真正的异步。当异步IO操做完成时，AsynchronousOperationProcessor将用户线程与AsynchronousOperation一块儿注册的Proactor和CompletionHandler取出，而后将CompletionHandler与IO操做的结果数据一块儿转发给Proactor，Proactor负责回调每个异步操做的事件完成处理函数handle_event。虽然Proactor模式中每一个异步操做均可以绑定一个Proactor对象，可是通常在操做系统中，Proactor被实现为Singleton模式，以便于集中化分发操做完成事件。
图7 异步IO
如图7所示，异步IO模型中，用户线程直接使用内核提供的异步IO API发起read请求，且发起后当即返回，继续执行用户线程代码。不过此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核，而后操做系统开启独立的内核线程去处理IO操做。当read请求的数据到达时，由内核负责读取socket中的数据，并写入用户指定的缓冲区中。最后内核将read的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部Proactor，Proactor将IO完成的信息通知给用户线程（通常经过调用用户线程注册的完成事件处理函数），完成异步IO。
用户线程使用异步IO模型的伪代码描述为：
void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {
process(buffer);
}
{
aio_read(socket, new UserCompletionHandler);
}
用户须要重写CompletionHandler的handle_event函数进行处理数据的工做，参数buffer表示Proactor已经准备好的数据，用户线程直接调用内核提供的异步IO API，并将重写的CompletionHandler注册便可。
相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分经常使用，很多高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本能够知足需求。何况目前操做系统对异步IO的支持并不是特别完善，更多的是采用IO多路复用模型模拟异步IO的方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）。Java7以后已经支持了异步IO，感兴趣的读者能够尝试使用。
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