了解应用程序的输入/输出（I/O）模型意味着理解应用程序处理其数据的载入差异，并揭示其在真实环境中表现。或许你的应用程序很小，在不承受很大的负载时，这并不是个严重的问题；但随着应用程序的流量负载增加，可能因为使用了低效的 I/O 模型导致承受不了而崩溃。

和大多数情况一样，处理这种问题的方法有多种方式，这不仅仅是一个择优的问题，而是对权衡的理解问题。 接下来我们来看看 I/O 到底是什么。

在本文中，我们将对 Node、Java、Go 和 PHP + Apache 进行对比，讨论不同语言如何构造其 I/O ，每个模型的优缺点，并总结一些基本的规律。如果你担心你的下一个 Web 应用程序的 I/O 性能，本文将给你最优的解答。

要了解 I/O 所涉及的因素，我们首先深入到操作系统层面复习这些概念。虽然看起来并不与这些概念直接打交道，但你会一直通过应用程序的运行时环境与它们间接接触。了解细节很重要。

首先是系统调用，其被描述如下：

Syscalls Diagram

上面我们提到过，系统调用是阻塞的，一般来说是这样的。然而，一些调用被归类为“非阻塞”，这意味着内核会接收你的请求，将其放在队列或缓冲区之类的地方，然后立即返回而不等待实际的 I/O 发生。所以它只是在很短的时间内“阻塞”，只需要排队你的请求即可。

举一些 Linux 系统调用的例子可能有助于理解：

了解这里的时间差异的数量级是很重要的。假设 CPU 内核运行在 3GHz，在没有进行 CPU 优化的情况下，那么它每秒执行 30 亿次周期cycle（即每纳秒 3 个周期）。非阻塞系统调用可能需要几十个周期来完成，或者说 “相对少的纳秒” 时间完成。而一个被跨网络接收信息所阻塞的系统调用可能需要更长的时间 - 例如 200 毫秒（1/5 秒）。这就是说，如果非阻塞调用需要 20 纳秒，阻塞调用需要 2 亿纳秒。你的进程因阻塞调用而等待了 1000 万倍的时长！

Blocking vs. Non-blocking Syscalls

内核既提供了阻塞 I/O （“从网络连接读取并给出数据”），也提供了非阻塞 I/O （“告知我何时这些网络连接具有新数据”）的方法。使用的是哪种机制对调用进程的阻塞时长有截然不同的影响。

关键的第三件事是当你有很多线程或进程开始阻塞时会发生什么。

根据我们的理解，线程和进程之间没有很大的区别。在现实生活中，最显著的性能相关的差异在于，由于线程共享相同的内存，而进程每个都有自己的内存空间，使得单独的进程往往占用更多的内存。但是当我们谈论调度Scheduling时，它真正归结为一类事情（线程和进程类同），每个都需要在可用的 CPU 内核上获得一段执行时间。如果你有 300 个线程运行在 8 个内核上，则必须将时间分成几份，以便每个线程和进程都能分享它，每个运行一段时间，然后交给下一个。这是通过 “上下文切换context switch” 完成的，可以使 CPU 从运行到一个线程/进程到切换下一个。

这些上下文切换也有相关的成本 - 它们需要一些时间。在某些快速的情况下，它可能小于 100 纳秒，但根据实际情况、处理器速度/体系结构、CPU 缓存等，偶见花费 1000 纳秒或更长时间。

而线程（或进程）越多，上下文切换就越多。当我们涉及数以千计的线程时，每个线程花费数百纳秒，就会变得很慢。

然而，非阻塞调用实质上是告诉内核“仅在这些连接之一有新的数据或事件时再叫我”。这些非阻塞调用旨在有效地处理大量 I/O 负载并减少上下文交换。

这些你明白了么？现在来到了真正有趣的部分：我们来看看一些流行的语言对那些工具的使用，并得出关于易用性和性能之间权衡的结论，以及一些其他有趣小东西。

声明，本文中显示的示例是零碎的（片面的，只能体现相关的信息）; 数据库访问、外部缓存系统（ memcache 等等）以及任何需要 I/O 的东西都将执行某种类型的 I/O 调用，其实质与上面所示的简单示例效果相同。此外，对于将 I/O 描述为“阻塞”（ PHP、Java ）的情况，HTTP 请求和响应读取和写入本身就是阻塞调用：系统中隐藏着更多 I/O 及其伴生的性能问题需要考虑。

为一个项目选择编程语言要考虑很多因素。甚至当你只考虑效率时，也有很多因素。但是，如果你担心你的程序将主要受到 I/O 的限制，如果 I/O 性能影响到项目的成败，那么这些是你需要了解的。

早在 90 年代，很多人都穿着 Converse 鞋，用 Perl 写着 CGI 脚本。然后 PHP 来了，就像一些人喜欢咒骂的一样，它使得动态网页更容易。

PHP 使用的模型相当简单。虽有一些出入，但你的 PHP 服务器基本上是这样：

HTTP 请求来自用户的浏览器，并访问你的 Apache Web 服务器。Apache 为每个请求创建一个单独的进程，有一些优化方式可以重新使用它们，以最大限度地减少创建次数（ 相对而言，创建进程较慢 ）。Apache 调用 PHP 并告诉它运行磁盘上合适的 .php 文件。PHP 代码执行并阻塞 I/O 调用。你在 PHP 中调用 file_get_contents() ，其底层会调用 read() 系统调用并等待结果。

当然，实际的代码是直接嵌入到你的页面，并且该操作被阻塞：

关于如何与系统集成，就像这样：

I/O Model PHP

很简单：每个请求一个进程。 I/O 调用就阻塞。优点是简单可工作，缺点是，同时与 20,000 个客户端连接，你的服务器将会崩溃。这种方法不能很好地扩展，因为内核提供的用于处理大容量 I/O （epoll 等） 的工具没有被使用。 雪上加霜的是，为每个请求运行一个单独的进程往往会使用大量的系统资源，特别是内存，这通常是你在这样的场景中遇到的第一个问题。

注意：Ruby 使用的方法与 PHP 非常相似，在大致的方面上，它们可以被认为是相同的。

就在你购买你的第一个域名，在某个句子后很酷地随机说出 “dot com” 的那个时候，Java 来了。而 Java 具有内置于该语言中的多线程功能，它非常棒（特别是在创建时）。

大多数 Java Web 服务器通过为每个请求启动一个新的执行线程，然后在该线程中最终调用你（作为应用程序开发人员）编写的函数。

在 Java Servlet 中执行 I/O 往往看起来像：

由于我们上面的 doGet 方法对应于一个请求，并且在其自己的线程中运行，而不是每个请求一个单独的进程，申请自己的内存。这样有一些好处，比如在线程之间共享状态、缓存数据等，因为它们可以访问彼此的内存，但是它与调度的交互影响与之前的 PHP 的例子几乎相同。每个请求获得一个新线程，该线程内的各种 I/O 操作阻塞在线程内，直到请求被完全处理为止。线程被池化以最小化创建和销毁它们的成本，但是数千个连接仍然意味着数千个线程，这对调度程序是不利的。

重要的里程碑出现在 Java 1.4 版本（以及 1.7 的重要升级）中，它获得了执行非阻塞 I/O 调用的能力。大多数应用程序、web 应用和其它用途不会使用它，但至少它是可用的。一些 Java Web 服务器尝试以各种方式利用这一点；然而，绝大多数部署的 Java 应用程序仍然如上所述工作。

I/O Model Java

肯定有一些很好的开箱即用的 I/O 功能，Java 让我们更接近，但它仍然没有真正解决当你有一个大量的 I/O 绑定的应用程序被数千个阻塞线程所压垮的问题。