Linux网络IO模型

tech2025-08-22  2

五种网络I/O模型

一 Blocking I/O,阻塞 I/O

     1 最常用的的I/O模型就是阻塞I/O模型   

     2 默认情况下,所有文件操作都是阻塞的。

 当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态。

阻塞 I/O如图:

注意:也就是说,进程从调用recvfrom开始到返回的整个时段都是阻塞的(上述1.1两个阶段都是阻塞),recvfrom成功返回后,应用进程才开始处理数据报。

2、Non-blocking I/O,非阻塞 I/O 

 

当用户线程发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。

     所以事实上,在非阻塞IO模型中,用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU。

不同于阻塞式I/O,非阻塞I/O在第一阶段数据没有准备好的时候,不阻塞,而是直接返回一个错误(EWOULDBLOCK)。

注意:值得注意的一点是,当第一阶段数据准备完成后,进入第二阶段,内核向内存的复制。这一阶段仍然是阻塞的,这对于后续理解非阻塞与同步的关系十分重要。

 

3、I/O multiplexing,多路复用 I/O

 多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。

在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket的状态,只有当socket真正有读写事件时,才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket读写事件进行时,才会使用IO资源,所以它大大减少了资源占用。

多路复用型IO,有的也称为事件驱动型IO,常用select,poll,epoll来处理多个IO连接状态。当某个IO连接的数据准备好了,select返回,通知用户进行read操作,这种IO的好处是一次可以监听多个连接,坏处是要两次调用,两次返回,单个连接和非阻塞IO没有多大的性能提升。

 

每个IO都是非阻塞IO,第一阶段通过select/poll方法,一次性轮询多个IO句柄,检查是否有IO句柄准备好,第二阶段阻塞读取数据

select/pool -> [syscall -> wait ->] return readable

recvfrom -> [syscall -> copy ->] return OK

I/O多路复用的主要应用场景如下:

1 服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字

2服务器需要同时处理多种网络协议的套接字

 

 

4、Asynchronous I/O,异步 I/O

 当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者的输入输出操作

5、Single driven I/O,信号驱动 I/O

首先启动信号驱动I/O的socket,然后安装一个使用sigaction系统调用的signal handler,这个系统调用是立即返回的,并且返回后还继续执行,它是非阻塞的,当数据报准备好时,就会生成SIGIO信号,我们可以调用recvfrom从signal handler读取数据,并且告诉主循环数据已经准备好被获取了;或者我们可以通知主循环,让它自己读取数据。

 首先我们允许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。当数据准备好时,进程会收到一个SIGIO信号,可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

 

简单来讲,如果把等待数据准备过程比作钓鱼时等待鱼上钩,把从内核拷贝数据到用户空间比作拉线收鱼,那么:

1. 阻塞I/O:守着一个鱼竿一直等待鱼上钩,期间不干别的事情,就等着,鱼上钩了就拉线取走鱼。

2. 非阻塞I/O: 弄个鱼竿搁在那儿,可以干别的事情去,每隔一段时间回来看一次有没有鱼上钩,直到有鱼上钩了,就拉线取走鱼。

3. I/O 多路复用: 一次性弄好多鱼竿钓鱼(select就是可以同时等待多个描述符),这些鱼竿如果有任何一个有鱼上钩,就拉线取走鱼,没有的话就干等着鱼上钩,不干别的事情。

4. 信号I/O: 给一个鱼竿弄个铃铛,然后自己干别的事情去,一旦铃铛响了,说明鱼上钩了,就过来取走鱼。

5. 异步I/O:放个鱼竿钓鱼,然后自己干别的事情去,一旦鱼上钩了,鱼竿比较高级,自动把鱼拉上来放到桶里。

 

Linux上使用iftop可以查看网络使用情况,使用iotop可以查看磁盘io使用情况

首先需要安装iftop和iotop:

yum install iftop

yum install iotop

使用iftop -n命令可以查看网络的使用情况:

想要跟踪一下具体是哪个进程正在占用网络,可以使用下面的命令:

netstat -antop |grep 106.120.77.180

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