华为一面，送分题

大家好，我是鱼皮。今天给大家分享一道华为面试题：五种 IO 模型是什么？题目解析如下：

所谓 I/O，就是 Input/Output，输入/输出，在操作系统中，输入输出操作其实并不简单

工作在用户态的应用程序想要读取磁盘中的具体文件内容，就需要经过 System Call（系统调用）陷入内核态

因此，在操作系统中，输入输出操作通常都会包括以下两个阶段：

1. 准备数据：内核缓冲区准备数据，等待其准备好
2. 数据拷贝：从内核缓冲区向用户缓冲区复制数据

以网络通信即 Socket 上的输入操作为例，对应的第一阶就是等待数据从网络中到达网卡（对于网络 I/O 来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的 TCP 包。这个时候内核就要等待足够的数据到来），然后从网卡中将数据拷贝到内核缓冲区，这样，数据就准备就完成了；第二阶段就是把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

操作系统系统如何去管理输入和输出，从而获取输入和输出的数据？这就是 I/O 模型。

Linux 中有以下五种 I/O 模型：

• Blocking I/O：阻塞 I/O
• Non-Blocking I/O：非阻塞 I/O
• I/O Multiplexing：I/O 多路复用
• Signal Blocking I/O：信号驱动 I/O
• Asynchronous I/O：异步 I/O

Blocking I/O

在 Linux 中，默认情况下所有的 Socket 都是 Blocking，它符合人们最常见的思考逻辑。

上面我们介绍了输入输出操作通常都会包括两个阶段，并不是凭空想想，而是对应具体的 I/O 系统调用的，以网络通信为例，Blocking I/O 就对应阻塞的系统调用 recvfrom

第一阶段，准备数据：当用户进程通过系统调用 recvfrom 进行数据读取，操作系统就开始了 I/O 的第一个阶段-准备数据。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞住

解释下 阻塞 的概念：源自操作系统对进程/线程状态的描述概念，其定义为：操作系统把进程/线程从“运行（running）状态” 挂起为 “阻塞（blocked）状态”（又称“等待（waiting）状态”）。当进程/线程处于阻塞状态，则意味着其处于暂停运行状态，暂时不会被 CPU 调度执行

第二阶段，数据拷贝：当内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核空间中拷贝到用户空间，然后系统调用 recvfrom 返回结果，用户进程才解除阻塞的状态，重新运行起来

在上述步骤中，用户进程调用 recvfrom，该系统调用直到数据准备好且被复制到用户缓冲区中才返回。

从调用 recvfrom 开始，到它返回数据的整段时间，用户进程都是被阻塞住的！这就是 Blocking I/O 的特点，可以简单记忆为 “IO 执行的两个阶段用户进程都被阻塞住了”

recvfrom 成功返回后，用户进程才开始继续处理。

Non-Blocking I/O

参考《Unix 网络编程：第一卷》，书中是这样描述 Non-Blocking I/O 的：

"进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所请求的 I/O 操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把进程投入睡眠，而是返回一个错误"

意思就是，如果某个用户进程进行系统调用 recvform 尝试获取数据，但这时候数据还没准备好：

• 如果操作系统把这个进程挂起，那就是 Blocking I/O
• 如果操作系统选择立即给用户进程返回错误信息，那就是 Non-Blocking I/O

如下图所示：

非阻塞的 recvform 系统调用之后，如果数据还没准备好，应用进程不会被阻塞住，recvfrom 立即返回一个 EWOULDBLOCK 错误。用户进程在收到 recvfrom 调用的返回信息之后，可以干点别的事情，然后再发起 recvform 系统调用。

重复上面的过程，不断地进行 recvform 系统调用。这个过程通常被称之为**轮询 (polling)**。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到用户进程，进行数据处理。

需要注意的是，当 recvfrom 系统调用进行拷贝数据的时候，用户进程同样是被阻塞住的。

因此，Non-Blocking I/O 的特点就是用户进程需要不断的主动询问内核数据准备好了没有，可以简单记忆为 “IO 执行的第一阶段用户进程非阻塞，第二阶段用户进程阻塞”

I/O Multiplexing

由于 Non-Blocking I/O 需要不断主动轮询，轮询会消耗大量的 CPU 时间，而后台可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。这就是 I/O Multiplexing。

I/O Multiplexing 引入了新的系统调用 select/poll/epoll（也成为多路复用器），这几个系统调用也是重点，不过本文就不过多阐述了。

具体来说，I/O Multiplexing 就是将多个应用进程的 Socket 注册到一个多路复用器（select/poll/epoll）上，然后使用一个进程来监听该多路复用器，多路复用器会不断的轮询所有注册进来的 Socket，只要有一个 Socket 的数据准备好，就会返回该 Socket。再由应用进程发起真正的 IO 系统调用（也就是 recvfrom，和 Blocking I/O 一样），来完成数据读取。

简单来说，I/O Multiplexing 就是同时阻塞了多个应用进程，而且可以同时对多个 Socket 进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正开始 I/O 操作。

比较上图和 Blocking I/O，你会发现 I/O Multiplexing 的 I/O 操作和 Blocking I/O 似乎差不多，事实上，IO 多路复用还更差一些，因为这里需要使用两个系统调用 (select 和 recvfrom)，而 Blocking IO 只需要一个系统调用 (recvfrom)。

但是，IO 多路复用的优势并不是对单个连接能处理得更快，而是只需要一个进程就可以同时处理多个 I/O，能同时处理更多的连接。

Signal Blocking I/O

Signal Blocking I/O 就是当用户进程发起 I/O 操作的时候，首先通过系统调用 sigaction 向内核注册一个信号处理函数，这个系统调用会立即返回不会阻塞用户进程；当内核数据准备好了就会发送一个 SIGIO 信号给用户进程，这样用户进程就知道内核数据准备好了，可以开始执行 I/O 系统调用了。

和 Non-Blocking I/O 一样，信号驱动 IO 的用户进程在 I/O 的第一阶段准备数据是非阻塞的，在第二阶段数据拷贝是阻塞的

不过信号驱动 IO 基于回调机制，其实现和开发应用难度大，因此在实际中并不常用。

Asynchronous I/O

异步 I/O，先来解释下什么是异步？

POSIX 的定义如下：

• 同步 I/O 操作（synchronous I/O operation）：导致请求进程阻塞，直到 I/O 操作完成
• 异步 I/O 操作（asynchronous I/O operation）：不导致请求进程阻塞

根据这个定义，我们可以做一个分类了，那就是上述四种 I/O 都是同步 I/O！因为它们无一例外都会在第二阶段阻塞住用户进程直到 I/O 操作完成。

这就是为什么你会看见有人把 “阻塞 I/O” 称之为 “同步 阻塞 I/O”，把 “非阻塞 I/O” 称之为 “同步 非阻塞 I/O” 了

而异步 IO 所谓的在整个 I/O 操作期间都不会阻塞用户进程，其通常的工作机制是：

用户进程告知内核启动某个 I/O 操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到用户缓冲区）完成后通知用户进程。

这与 Signal Blocking I/O 的本质区别就是：

• Signal Blocking I/O 是在数据准备好了之后进行通知，告知应用进程可以启动 I/O 操作进行拷贝数据了
• Asynchronous I/O 是在整个 I/O 操作完成了之后进行通知，告知应用进程 I/O 操作已经完成了

下图给出了一个异步调用的例子：

用户进程进行异步系统调用 aio_read 之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户进程可以去做别的事情。等到数据准备好了，内核直接拷贝数据给用户进程（不需要用户进程再主动发起 recvfrom 系统调用），拷贝完毕后内核才会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。

所以，异步 IO 的两个阶段，用户进程都是非阻塞的，用户进程将整个 IO 操作都交由内核完成，内核完成后会发送通知。在此期间，用户进程不需要去检查 IO 操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

五种 I/O 模型比较

本文理清了五种 I/O 模型，并区分了阻塞/非阻塞、同步和异步的概念

上张图对比下，加深印象

最后，欢迎学编程的朋友们加入鱼皮的 编程知识星球 ，鱼皮会 1 对 1 解决你的问题，直播带你做出项目、为你定制学习计划和求职指导，还能获取海量编程学习资源，和上万名学编程的同学共享知识、交流进步。 

往期推荐