追本溯源，在Linux 5种IO模型中洞察同步异步与阻塞非阻塞

2023-09-24 06:19:02

IO模型：同步、异步、阻塞、非阻塞和IO复用详解

在计算机科学的广袤世界里，IO读写是程序与硬件交换数据的基石。无论是读取文件、访问数据库还是发送网络请求，IO读写都必不可少。而在Linux系统的世界中，有五种截然不同的IO模型，每一种都拥有独特的特性和应用场景。让我们踏上一段深入浅出的旅程，探索这些IO模型，彻底掌握同步、异步、阻塞、非阻塞和IO复用之间的区别，助你晋升为编程高手。

同步IO模型：循规蹈矩的等待者

想象一下，你在公园里排队买冰淇淋。同步IO模型就像一位耐心等待的顾客，直到冰淇淋做好，否则寸步不移。程序发起IO请求后，它会一直等待IO操作完成，然后再继续执行。这种顺序执行的模式意味着程序必须等待IO操作完成才能继续前进，犹如排队的顾客等待着美味的冰淇淋。

// 同步IO示例：读取文件
std::ifstream file("myfile.txt");
if (file.is_open()) {
  std::string line;
  while (std::getline(file, line)) {
    // 处理文件行
  }
  file.close();
}

异步IO模型：并发执行的先锋

与同步IO模型相反，异步IO模型就像一位高效的快递员，在发送包裹后立即继续其他任务。程序发起IO请求后，它不会等待IO操作完成，而是继续执行。当IO操作完成后，系统会通知程序，程序再处理IO操作的结果。这种并行执行的模式允许程序同时执行多个IO操作，极大地提高了程序的效率，犹如快递员同时处理多个包裹。

// 异步IO示例：异步文件读取
std::async(std::launch::async, []() {
  std::ifstream file("myfile.txt");
  if (file.is_open()) {
    std::string line;
    while (std::getline(file, line)) {
      // 处理文件行
    }
    file.close();
  }
});

阻塞IO模型：被IO束缚的囚徒

阻塞IO模型是同步IO模型的特殊变种。想象一位被手铐铐住的囚徒，等待监狱看守打开牢房门。程序发起IO请求后，它会一直等待IO操作完成，如果IO操作尚未完成，程序就会被阻塞，无法继续执行。这种阻塞会导致程序被IO操作拖累，无法执行其他任务，犹如囚徒等待看守释放。

非阻塞IO模型：自由执行的冒险家

非阻塞IO模型是异步IO模型的特殊变种。想象一位敏捷的冒险家，在发出信号后立即继续探索未知的世界。程序发起IO请求后，它不会等待IO操作完成，而是继续执行。如果IO操作尚未完成，程序不会被阻塞，而是会返回一个错误码。这种非阻塞的模式允许程序在等待IO操作完成的同时继续执行其他任务，犹如冒险家在探索未知领域。

// 非阻塞IO示例：非阻塞套接字读取
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock >= 0) {
  int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
  if (flags >= 0) {
    flags |= O_NONBLOCK;
    fcntl(sock, F_SETFL, flags);
  }
  // ...
}

IO复用模型：多任务处理的大师

IO复用模型就像一位精明的杂货店收银员，同时处理多个顾客的订单。程序可以将多个IO操作注册到一个IO复用器上。当某个IO操作完成时，IO复用器会通知程序，程序再处理IO操作的结果。这种多任务处理模式允许程序同时处理多个IO操作，大大提高了程序的效率，犹如收银员同时处理多个顾客的订单。

Linux IO复用模型的三角恋：select、poll和epoll

在Linux系统中，有三个常用的IO复用模型：select、poll和epoll。就像三角恋中三个彼此吸引的个体，它们各有千秋。

select ：select是IO复用模型的元老，但它需要每次调用都将所有IO操作传递给内核，这会消耗大量的CPU资源。

poll ：poll比select更先进，它只需要传递发生变化的IO操作给内核，从而减少了CPU资源的消耗。

epoll ：epoll是IO复用模型中的明星，它采用事件驱动的机制，性能极高，可以同时处理大量的IO操作。

常见问题解答

什么时候应该使用同步IO模型？
当IO操作需要立即完成时，例如读取配置文件或写入日志文件。
什么时候应该使用异步IO模型？
当IO操作耗时较长或不需要立即完成时，例如网络请求或数据库查询。
阻塞IO模型和非阻塞IO模型有何区别？
阻塞IO模型在IO操作完成前会阻塞程序，而非阻塞IO模型不会。
IO复用模型有哪些优点？
IO复用模型可以同时处理多个IO操作，提高程序的效率。
Linux IO复用模型中的select、poll和epoll有何区别？
select需要将所有IO操作传递给内核，poll只传递发生变化的IO操作，而epoll采用事件驱动的机制，性能更高。