本篇文章帶大家聊聊Node中的各種I/O模型，介紹一下阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型和非阻塞異步I/O，希望對(duì)大家有所幫助！

我們以網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求IO為例，首先介紹服務(wù)端處理一次完整的網(wǎng)絡(luò)IO請(qǐng)求的典型流程：

應(yīng)用程序獲得一個(gè)操作結(jié)果，通常包括兩個(gè)不同的階段：

• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

• 從內(nèi)核向進(jìn)程復(fù)制數(shù)據(jù)

以下，我們以 recvfrom 函數(shù)為例，解釋說(shuō)明各種IO模型

阻塞式 I/O 模型(blocking I/O）

阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前，當(dāng)前線程會(huì)被掛起，調(diào)用線程只有在等待系統(tǒng)內(nèi)核層面所有操作完成之后，調(diào)用才會(huì)結(jié)束。

阻塞I/O造成了cpu的等待I/O，浪費(fèi)了CPU的時(shí)間片。

非阻塞式I/O模型(non-blocking I/O）

相比于前者，非阻塞I/O不帶數(shù)據(jù)直接返回，要獲取數(shù)據(jù)，還需要通過(guò)文件描述符再次嘗試讀取數(shù)據(jù)

非阻塞調(diào)用得到返回（并不是真實(shí)的期待數(shù)據(jù)）之后，CPU時(shí)間片可以用于處理其他的事情，可以明顯提升性能。

但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是，之前的操作并不是一次完整的I/O，返回得到的結(jié)果不是期望得到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而僅僅是異步調(diào)用狀態(tài)。

為了獲取完整的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序需要重復(fù)調(diào)用IO操作來(lái)確認(rèn)操作是否已經(jīng)完成，這種操作我們稱(chēng)之為輪詢(xún)，常見(jiàn)的幾種輪詢(xún)策略如下

忙輪詢(xún)

這是最原始，也是性能最低的一種方式，通過(guò)重復(fù)調(diào)用來(lái)檢查I/O狀態(tài)達(dá)到獲取完整數(shù)據(jù)的目的

優(yōu)點(diǎn)：編程簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：CPU一直耗費(fèi)在輪詢(xún)上，同時(shí)影響服務(wù)器性能，因?yàn)槟爿喸?xún)之后服務(wù)器還要進(jìn)行作答

I/O復(fù)用模型(I/O multiplexing）

在 I/O 復(fù)用模型中，會(huì)用到 Select 或 Poll 函數(shù)或 Epoll 函數(shù)(Linux 2.6 以后的內(nèi)核開(kāi)始支持)，這兩個(gè)函數(shù)也會(huì)使進(jìn)程阻塞，但是和阻塞 I/O 有所不同。

這三個(gè)函數(shù)可以同時(shí)阻塞多個(gè) I/O 操作，而且可以同時(shí)對(duì)多個(gè)讀操作，多個(gè)寫(xiě)操作的 I/O 函數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫(xiě)時(shí)，才真正調(diào)用 I/O 操作函數(shù)。

三種I/O復(fù)用機(jī)制的區(qū)別如下

• select

由于select采用1024長(zhǎng)度的數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)文件狀態(tài)，因此最多可以同時(shí)檢測(cè)1024個(gè)文件描述符

• poll

相比select略有改進(jìn)，采用鏈表避免了1024的長(zhǎng)度限制，并且能避免不需要的遍歷檢查，相比select性能稍有改善

• epoll/kqueue

是linux下效率最高的I/O事件通知機(jī)制，輪詢(xún)時(shí)如果沒(méi)有檢測(cè)到I/O事件，將會(huì)進(jìn)行休眠，直到事件發(fā)生將線程喚醒。它是真正利用了事件通知，執(zhí)行回調(diào)，而不是遍歷（文件描述符）查詢(xún)，因此不會(huì)浪費(fèi)CPU

小結(jié)：本質(zhì)上說(shuō)，輪詢(xún)?nèi)匀皇且环N同步操作，因?yàn)閼?yīng)用程序仍然在等待I/O完全返回，等待期間要么遍歷文件描述狀態(tài)，要么休眠等待事件的發(fā)生。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O模型（signal-driven I/O)

在信號(hào)驅(qū)動(dòng)式 I/O 模型中，應(yīng)用程序使用信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O，并安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。

當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，程序會(huì)收到一個(gè) SIGIO 信號(hào)，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用 I/O 操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

小結(jié)：到此為止，信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O模型是更加符合我們的異步需求的，程序會(huì)在等待數(shù)據(jù)的過(guò)程中異步執(zhí)行其他的業(yè)務(wù)邏輯。

但是?。?！ 在數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間過(guò)程中依然是阻塞的，并不能算是一場(chǎng)徹底的革命（異步）。

理想中的(Node)非阻塞異步I/O

我們理想中的異步I/O應(yīng)該是應(yīng)用程序發(fā)起非阻塞調(diào)用，無(wú)需通過(guò)輪詢(xún)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，更沒(méi)有必要在數(shù)據(jù)拷貝階段進(jìn)行無(wú)謂的等待，而是能夠在I/O完成之后，通過(guò)信號(hào)或者回調(diào)函數(shù)的方式傳遞給應(yīng)用程序，在此期間應(yīng)用程序可以執(zhí)行其他業(yè)務(wù)邏輯。

實(shí)際的異步I/O

實(shí)際上，linux平臺(tái)下原生支持了異步I/O（AIO），但是目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下實(shí)現(xiàn)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)都是以 I/O 復(fù)用模型為主。

而Windows 下通過(guò) IOCP 實(shí)現(xiàn)了真正的異步 I/O。

多線程模擬異步I/O

linux平臺(tái)下，Node利用線程池，通過(guò)讓部分線程進(jìn)行阻塞I/O或者非阻塞I/O+輪詢(xún)的方式完成數(shù)據(jù)獲取，讓某一個(gè)單獨(dú)的線程進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)線程之間的通信，將I/O結(jié)果進(jìn)行傳遞，這樣便實(shí)現(xiàn)了異步I/O的模擬。

其實(shí)Windows平臺(tái)下的IOCP異步異步方案底層也是采用線程池的方式實(shí)現(xiàn)的，所不同的是，后者的線程池是由系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行托管的。

我們常說(shuō)Node是單線程的，但其實(shí)只能說(shuō)是JS執(zhí)行在單線程中，無(wú)論是*nix還是windows平臺(tái)，底層都是利用線程池來(lái)完成I/O操作。