服务器网络模型(1)--I/O模型与I/O复用

基本的I/O分为阻塞式和非阻塞式，而在非阻塞的情况下，又可进一步分为同步和异步，归类下来，分为三种：

l        阻塞式：以read()为例，它是停等式的读，在fd不可读时，会阻塞住线程继续等下去。一般高并发服务器比较少用。

l        同步非阻塞：它解决了阻塞式中停等的问题，在fd不可读时，会立即返回失败。一般结合一个统一的I/O复用机制（比如select、epoll）来对多fd做一个统一的等，而不消耗每一个线程的时间。

l        异步非阻塞：同步非阻塞解决了停等的问题，但是在实际读这一步，需要同步去读取数据，如果读的时间过长，同样会消耗工作线程大量时间。因此又出现了异步非阻塞的I/O方式。具体来说，异步需要在事件发生前向操作系统注册fd和回调函数，然后映射一段缓冲到操作系统，等待被回调即可。Linux采用了aio来支持这种读写，windows采用的是IOCP完成端口的概念。

我们不过多的讨论阻塞式I/O。同步非阻塞和异步非阻塞可以进一步抽象出两个常用的I/O事件模型，Reactor和Proactor：

l        Reactor：即反应式事件模型。反应式事件模型的读操作步骤如下：

1.        注册读事件

2.        事件分离器等待可读事件（分离器可以理解为select/epoll）

3.        事件到来，激活分离器，分离器调用事件处理器（事件的handle对象或者函数）

4.        事件处理器完成实际的读操作，处理读到的数据

抽象成生活中的例子——送快递：

1.        你的朋友发快递给你，写上你的地址（注册事件）

2.        快递公司分派快件

3.        快件到来，快递大叔通知你下楼拿快件（可读）

4.        你下楼拿快件然后上楼(读操作)，拆快件（事件处理）

 

l        Proactor：即前摄式事件模型。它的读操作步骤如下：

1.        事件处理器发起异步操作，提供缓冲区和回调对象/函数

2.        事件分离器等待读操作完成事件（不一定需要epoll/select）

3.        分离器调用事件处理器

4.        处理已读到的数据

继续是送快递那个例子：

1.        你打电话给快递公司，说快递到了给你送到楼上

2.        快递公司分派快件

3.        快件到了，快递大叔非常友好的把快件给你送上了楼

4.        你直接拿到就可以拆了

 

从上面的送快递例子我们可以很简单的看出，Reactor仅需要你简单的等快递，快递到了，到楼下拿一下，整个过程，你只需要干一件事情，就是下楼收快递，但下楼比较耗时。Proactor需要我们有两个动作：打电话和收快递，但不需要消耗时间的下楼动作。

这里收快件的我们就相当于工作线程，Reactor模型直观易于理解，但需要处理一次I/O。Proactor增加了编程的复杂度，但给工作线程带来了更高的效率：Proactor可以在系统态将读写优化，利用I/O并行能力，提供一个高性能单线程模型。在windows上，由于没有epoll这样的机制，因此提供了IOCP来支持高并发， 由于操作系统做了较好的优化，windows较常采用Proactor的模型利用完成端口来实现服务器。在linux上，在2.6内核出现了aio接口，但aio实际效果并不理想，它的出现，主要是解决poll性能不佳的问题，但实际上经过测试，epoll的性能高于poll+aio，并且aio不能处理accept，因此linux主要还是以Reactor模型为主。

在不使用操作系统提供的异步I/O接口的情况下，还可以使用Reactor来模拟Proactor，差别是：使用异步接口可以利用系统提供的读写并行能力，而在模拟的情况下，这需要在用户态实现。具体的做法只需要这样：

1.        注册读事件（同时再提供一段缓冲区）

2.        事件分离器等待可读事件

3.        事件到来，激活分离器，分离器（立即读数据，写缓冲区）调用事件处理器

4.        事件处理器处理数据，删除事件(需要再用异步接口注册)

Boost::asio在linux上就采用了这样的方式：以epoll实现的Reactor来模拟Proactor，并且另外开了一个线程来完成读写调度。

实际的应用中，两者的性能差异并不是太大。因此大家不必纠结于模型的选择，更多的放在对模型的理解上或许更为重要。后面的讨论中，除非特殊的需求，我们将不明确的指明采用哪一种模型，都以分离器相称。