前言
网络 IO 是后端开发中经常需要接触的东西，也是面试中问到网络或者 Redis 时的常考题，笔者也常为其烦恼
所以有了这篇文章，一是解决之前的一些疑惑，二是方便以后查阅
接下来将介绍网络 IO 的基础及五种 IO 模型方面的知识
基本概念
Socket
套接字，用于网络中不同主机上应用程序间双向通信的端点的抽象，他将复杂的 TCP/IP 隐藏在 Socket 接口后面
- Socket 地址 = IP 地址:端口号
- 不同的协议，如 TCP，UDP 可同时使用相同端口号
对具体使用感兴趣的可以做下这个实验 计算机网络自顶向下 Lab，很有意思
FD(File Descriptor)
文件描述符，为非负整数，Linux 中一切资源都可以通过文件来访问和管理，FD 用于指向某一资源
阻塞与非阻塞
阻塞与非阻塞，描述调用者在等待返回结果的过程
- 阻塞：调用者发送请求后，会一直等待返回结果，当前线程被阻塞
- 非阻塞：调用者发送请求后，会立刻返回，当前线程不会阻塞，但调用需要定期轮询（一个个看）查看处理结果
例子：
阻塞/非阻塞：我在等你干活的时候我在干啥？
- 阻塞：啥也不干，死等
- 非阻塞：可以干别的，但也要时不时问问你的进度
同步与异步
而同步与异步，用于描述调用结果的返回机制（或者叫通信机制）。
- 同步：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，即由调用者主动等待这个调用结果。
- 异步：调用者发起请求后，会立刻返回，但不会立刻得到这个结果，而是由被调者在执行结束后主动通知（如 Callback）调用者。
例子：
同步/异步：你干完了，怎么让我知道呢？
- 同步：我只要不问，你就不告诉我
- 异步：你干完了，直接喊我过来就行
以上的IO可以组合成4种组合方式：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞
用户态和内核态
两种不同的权限等级
用户态
只能执行系统规定的指令，当需要执行某些系统特权指令（系统调用）时，需要切换到内核态
内核态
能够执行特权指令，如：IO，内存分配等对硬件操作的指令
五种 IO 模型
阻塞 IO
优点：程序简单，线程挂起不会占用 CPU 资源
缺点：在高并发场景下，需要大量线程，那内存，线程切换开销是不可接受的
总之：不常用
非阻塞 IO
优点：线程立刻返回，可以干别的活
缺点：不断轮询效率低，数据到达和轮询有时间差，所以响应延迟高
总之：不常用，最多使用非阻塞 IO 的特性
IO 多路复用
Redis 作为一个单线程的数据库，使用的就是 IO 多路复用
Redis 快的原因？
- 基于内存操作
- 数据结构简单
- IO 多路复用
- 主线程为单线程，避免上下文切换
unix 的 select()，poll()，linux 的 epoll() 系列都是同步非阻塞，windows 的 IOCP 是异步非阻塞
优点：一个线程复用多个
Socket，避免了多线程创建，切换，销毁的开销
select
优点：解决了线程切换的问题
缺点：
- FD 最大默认为 1024
- 每次调用需要将 FD 从用户态拷贝到内核态
- 不知道哪个 FD 就绪，需要全部遍历
- 参数每次调用都要重置（因为
readfds, writefds, exceptfds要作为返回值）
poll
优点：解决了线程切换的问题
缺点：
FD 最大默认为 1024- 每次调用需要将 FD 从用户态拷贝到内核态
- 不知道哪个 FD 就绪，需要全部遍历
参数每次调用都要重置（因为readfds, writefds, exceptfds要作为返回值）
epoll
LT：Level-Triggered，水平触发（默认），epoll_wait
检测到事件后，如该事件没有处理完毕，后续 epoll_wait
都会返回该事件，更安全
ET：Edge-Triggered，边缘触发，epoll_wait
检测到事件后，只会在当次返回，不管该事件是否被处理完毕，更快
优点：解决了线程切换的问题
缺点：
FD 最大默认为 1024每次调用需要将 FD 从用户态拷贝到内核态不知道哪个 FD 就绪，需要全部遍历参数每次调用都要重置（因为readfds, writefds, exceptfds要作为返回值）- 跨平台不好，只支持 Linux
- 相比较 select，epoll 太重了，遇到监听连接数和事件较少的场景，select 可能更优
异步 IO
一般为非堵塞，除非刻意堵塞
应用进程执行 aio_read
系统调用会立即返回，应用进程可以继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。
信号驱动 IO
在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。这个一般用于UDP中，对TCP套接口几乎是没用的，原因是该信号产生得过于频繁，并且该信号的出现并没有告诉我们发生了什么事情
异步 IO 与信号驱动 IO 的区别在于，异步 IO 的信号是通知应用进程 IO 完成，而信号驱动 IO 的信号是通知应用进程可以开始 IO。
总结
本文介绍了 IO 操作的基本概念，常见 IO 的五种模型，多路复用的三种方式
最后提几个问题供读者检验成果：
- 阻塞和非阻塞有何区别，取决于什么？
- 同步和异步有何区别？
- select，poll，epoll 有何区别？
- Redis 为什么快？
- 同一个端口可以同时给 TCP 程序和 UDP 程序使用吗？
- IO 五个模型分别是什么？
- socket 是什么，socket 地址是什么？
参考
浅谈IO |
青空之蓝
小白也看得懂的 IO
多路复用解析（超详细案例）-哔哩哔哩
浅聊Linux的五种IO模型
用户态和内核态
深入理解redis——Redis快的原因和IO多路复用深度解析
