面试题：网络编程中，非阻塞I/O模型的工作原理是什么

Question

请详细阐述在网络编程场景下，非阻塞I/O模型是如何工作的，包括其与阻塞I/O模型在数据获取和处理流程上的主要区别。

Answer 1

阻塞I/O模型工作流程

1. 数据获取：在阻塞I/O模型中，当应用程序调用I/O操作（如读取套接字数据）时，进程会被阻塞，一直等待数据准备好。例如在UNIX系统中，应用调用read函数读取网络套接字数据，若此时数据尚未到达网络缓冲区，进程会暂停运行，CPU会切换到其他进程执行。
2. 数据处理：当数据准备好后（数据到达网络缓冲区且内核将数据复制到用户空间缓冲区），read函数返回，进程被唤醒，开始处理数据。

非阻塞I/O模型工作流程

1. 数据获取：应用程序调用非阻塞I/O操作（如非阻塞的read），即使数据尚未准备好，函数也会立即返回，而不会阻塞进程。例如在Linux系统中，可以通过设置套接字为非阻塞模式（fcntl(sockfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)）来实现。返回值会提示操作结果，若数据未准备好，通常返回-1且errno设置为EAGAIN或EWOULDBLOCK。应用程序可以继续执行其他任务，而不是等待数据。
2. 数据处理：应用程序通过轮询（不断调用非阻塞I/O操作函数）或结合多路复用技术（如select、poll、epoll）来检查数据是否准备好。当数据准备好后，再次调用相应I/O操作函数（如read），将数据从内核空间复制到用户空间，然后进行处理。

两者主要区别

1. 数据获取时进程状态
   • 阻塞I/O：进程在数据准备阶段被阻塞，无法执行其他任务，直到数据准备好。
   • 非阻塞I/O：进程在数据准备阶段不会被阻塞，可继续执行其他代码逻辑，提高了CPU利用率。
2. 数据处理时机
   • 阻塞I/O：数据准备好后立即处理，处理流程相对简单直接。
   • 非阻塞I/O：数据准备好后，需通过轮询或多路复用机制检测到数据准备好后才进行处理，增加了检测环节，但能更灵活地管理多个I/O操作。
3. 资源利用
   • 阻塞I/O：简单直观，但在等待数据过程中，进程占用CPU资源却不执行有效任务，对于高并发场景效率较低。
   • 非阻塞I/O：适合高并发场景，能有效利用CPU资源，但实现复杂度较高，轮询方式可能会浪费一定CPU时间片，多路复用机制实现和管理也相对复杂。