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I/O模型相关概念

同步/异步：关注的是消息通信机制，即调用者在等待一件事情的处理结果时，被调用者是否提供完成状态的通知。

• 同步：synchronous，被调用者并不提供事件的处理结果相关的通知消息，需要调用者主动询问事情是否处理完成
• 异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态
  

阻塞/非阻塞：关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

• 阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起，干不了别的事情。
• 非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，而无需等到IO操作彻底完成，在最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起，可以去做别的事情。
  

网络I/O模型

阻塞型、非阻塞型、复用型、信号驱动型、异步

阻塞型I/O模型

阻塞型 I/O 模型(blocking IO)流程图

• 阻塞IO模型是最简单的I/O模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞
• 用户线程通过系统调用read发起I/O读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作
• 用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个I/O请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够

优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源

缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较apache 的preforck使用的是这种模式。

非阻塞型I/O模型

在设置连接为非阻塞时，当应用进程系统调用 recvfrom 没有数据返回时，内核会立即返回一个 EWOULDBLOCK 错误，而不会一直阻塞到数据准备好。如上图在第四次调用时有一个数据报准备好了，所以这时数据会被复制到 应用进程缓冲区 ，于是 recvfrom 成功返回数据

• 当一个应用进程这样循环调用 recvfrom 时，称之为轮询 polling 。这么做往往会耗费大量CPU时间，实际使用很少

多路复用I/O型

• 上面的模型中,每一个文件描述符对应的IO是由一个线程监控和处理
• 多路复用IO指一个线程可以同时（实际是交替实现，即并发完成）监控和处理多个文件描述符对应各自的IO，即复用同一个线程
• 一个线程之所以能实现同时处理多个IO,是因为这个线程调用了内核中的SELECT,POLL或EPOLL等系统调用，从而实现多路复用IO

基本原理:select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

优点

• 可以基于一个阻塞对象，同时在多个描述符上等待就绪，而不是使用多个线程(每个文件描述符一个线程)，这样可以大大节省系统资源

缺点

• 当连接数较少时效率相比多线程+阻塞 I/O 模型效率较低，可能延迟更大，因为单个连接处理需要 2 次系统调用，占用时间会有增加

适用场景：

• 当客户端处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用
• 当一个客户端同时处理多个套接字时，此情况可能的但很少出现
• 当一个服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般也要用到I/O复用
• 当一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用
• 当一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用

信号驱动式I/O型

信号驱动I/O的意思就是进程现在不用傻等着，也不用去轮询。而是让内核在数据就绪时，发送信号通知进程

优势：

• 等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知。
• 在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞
• 在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞
• 线程并没有在等待数据时被阻塞，内核直接返回调用接收信号，不影响进程继续处理其他请求因此可以提高资源的利用率

缺点：

• 信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知
• 异步阻塞：程序进程向内核发送IO调用后，不用等待内核响应，可以继续接受其他请求，内核收到进程
  请求后
• 进行的IO如果不能立即返回，就由内核等待结果，直到IO完成后内核再通知进程。

异步I/O模型

优点：

• 异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠

缺点：

• 要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入
• 目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时以 IO 复用模型模式+多线程任务的架构基本可以满足需求

异步非阻塞：

• 程序进程向内核发送IO调用后，不用等待内核响应，可以继续接受其他请求，内核调用的IO如果不能立即返回，内核会继续处理其他事物，直到IO完成后将结果通知给内核，内核在将IO完成的结果返回给进程，期间进程可以接受新的请求，内核也可以处理新的事物，因此相互不影响，可以实现
  较大的同时并实现较高的IO复用，因此异步非阻塞使用最多的一种通信方式。

apache和nginx的区别，什么时候选择apache，什么时候选择nginx

• 两者最核心的区别在于apache是同步多进程模型，一个连接对应一个进程，而nginx是异步的，多个连接（万级别）可以对应一个进程。
• 需要性能的web服务，用nginx。如果不需要性能只求稳定，更考虑apache，apache的各种功能模块实现比nginx好，例如ssl的模块就比nginx好，可配置项多。
• epoll（freebsd上是kqueue）网络IO模型是nginx处理性能高的根本理由，但并不是所有的情况下都是epoll大获全胜的，如果本身提供静态服务的就只有寥寥几个文件，apache的select模型或许比epoll更高性能。
• 这只是根据网络IO模型的原理作的一个假设，真正的应用还是需要实测。更为通用的方案是，前端nginx抗并发，后端apache集群，配合起来会更好。