所謂 I/O，就是 Input/Output，輸入/輸出，在操作系統中，輸入輸出操作其實并不簡單

工作在用戶態的應用程序想要讀取磁盤中的具體文件內容，就需要經過 System Call（系統調用）陷入內核態

因此，在操作系統中，輸入輸出操作通常都會包括以下兩個階段：

1. 準備數據：內核緩沖區準備數據，等待其準備好
2. 數據拷貝：從內核緩沖區向用戶緩沖區復制數據

以網絡通信即 Socket 上的輸入操作為例，對應的第一階就是等待數據從網絡中到達網卡（對于網絡 I/O 來說，很多時候數據在一開始還沒有到達。比如，還沒有收到一個完整的 TCP 包。這個時候內核就要等待足夠的數據到來），然后從網卡中將數據拷貝到內核緩沖區，這樣，數據就準備就完成了；第二階段就是把數據從內核緩沖區復制到用戶緩沖區。

操作系統系統如何去管理輸入和輸出，從而獲取輸入和輸出的數據？這就是 I/O 模型。

Linux 中有以下五種 I/O 模型：

• Blocking I/O：阻塞 I/O
• Non-Blocking I/O：非阻塞 I/O
• I/O Multiplexing：I/O 多路復用
• Signal Blocking I/O：信號驅動 I/O
• Asynchronous I/O：異步 I/O

Blocking I/O

在 Linux 中，默認情況下所有的 Socket 都是 Blocking，它符合人們最常見的思考邏輯。

上面我們介紹了輸入輸出操作通常都會包括兩個階段，并不是憑空想想，而是對應具體的 I/O 系統調用的，以網絡通信為例，Blocking I/O 就對應阻塞的系統調用 recvfrom

第一階段，準備數據：當用戶進程通過系統調用 recvfrom 進行數據讀取，操作系統就開始了 I/O 的第一個階段-準備數據。這個過程需要等待，也就是說數據被拷貝到操作系統內核的緩沖區中是需要一個過程的。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞住

解釋下 阻塞 的概念：源自操作系統對進程/線程狀態的描述概念，其定義為：操作系統把進程/線程從“運行（running）狀態” 掛起為 “阻塞（blocked）狀態”（又稱“等待（waiting）狀態”）。當進程/線程處于阻塞狀態，則意味著其處于暫停運行狀態，暫時不會被 CPU 調度執行

第二階段，數據拷貝：當內核一直等到數據準備好了，它就會將數據從內核空間中拷貝到用戶空間，然后系統調用 recvfrom 返回結果，用戶進程才解除阻塞的狀態，重新運行起來

在上述步驟中，用戶進程調用 recvfrom，該系統調用直到數據準備好且被復制到用戶緩沖區中才返回。

從調用 recvfrom 開始，到它返回數據的整段時間，用戶進程都是被阻塞住的！這就是 Blocking I/O 的特點，可以簡單記憶為 “IO 執行的兩個階段用戶進程都被阻塞住了”

recvfrom 成功返回后，用戶進程才開始繼續處理。

Non-Blocking I/O

參考《Unix 網絡編程：第一卷》，書中是這樣描述 Non-Blocking I/O 的：

"進程把一個套接字設置成非阻塞是在通知內核，當所請求的 I/O 操作非得把本進程投入睡眠才能完成時，不要把進程投入睡眠，而是返回一個錯誤"

意思就是，如果某個用戶進程進行系統調用 recvform 嘗試獲取數據，但這時候數據還沒準備好：

• 如果操作系統把這個進程掛起，那就是 Blocking I/O
• 如果操作系統選擇立即給用戶進程返回錯誤信息，那就是 Non-Blocking I/O

如下圖所示：

非阻塞的 recvform? 系統調用之后，如果數據還沒準備好，應用進程不會被阻塞住，recvfrom? 立即返回一個 EWOULDBLOCK? 錯誤。用戶進程在收到 recvfrom 調用的返回信息之后，可以干點別的事情，然后再發起 recvform 系統調用。

重復上面的過程，不斷地進行 recvform 系統調用。這個過程通常被稱之為**輪詢 (polling)**。輪詢檢查內核數據，直到數據準備好，再拷貝數據到用戶進程，進行數據處理。

需要注意的是，當 recvfrom 系統調用進行拷貝數據的時候，用戶進程同樣是被阻塞住的。

因此，Non-Blocking I/O 的特點就是用戶進程需要不斷的主動詢問內核數據準備好了沒有，可以簡單記憶為 “IO 執行的第一階段用戶進程非阻塞，第二階段用戶進程阻塞”

I/O Multiplexing

由于 Non-Blocking I/O 需要不斷主動輪詢，輪詢會消耗大量的 CPU 時間，而后臺可能有多個任務在同時進行，人們就想到了循環查詢多個任務的完成狀態，只要有任何一個任務完成，就去處理它。這就是 I/O Multiplexing。

I/O Multiplexing 引入了新的系統調用 select/poll/epoll（也成為多路復用器），這幾個系統調用也是重點，不過本文就不過多闡述了。

具體來說，I/O Multiplexing 就是將多個應用進程的 Socket 注冊到一個多路復用器（select/poll/epoll）上，然后使用一個進程來監聽該多路復用器，多路復用器會不斷的輪詢所有注冊進來的 Socket，只要有一個 Socket 的數據準備好，就會返回該 Socket。再由應用進程發起真正的 IO 系統調用（也就是 recvfrom，和 Blocking I/O 一樣），來完成數據讀取。

簡單來說，I/O Multiplexing 就是同時阻塞了多個應用進程，而且可以同時對多個 Socket 進行檢測，直到有數據可讀或可寫時，才真正開始 I/O 操作。

比較上圖和 Blocking I/O，你會發現 I/O Multiplexing 的 I/O 操作和 Blocking I/O 似乎差不多，事實上，IO 多路復用還更差一些，因為這里需要使用兩個系統調用 (select? 和 recvfrom?)，而 Blocking IO 只需要一個系統調用 (recvfrom)。

但是，IO 多路復用的優勢并不是對單個連接能處理得更快，而是只需要一個進程就可以同時處理多個 I/O，能同時處理更多的連接。

Signal Blocking I/O

Signal Blocking I/O 就是當用戶進程發起 I/O 操作的時候，首先通過系統調用 sigaction? 向內核注冊一個信號處理函數，這個系統調用會立即返回不會阻塞用戶進程；當內核數據準備好了就會發送一個 SIGIO 信號給用戶進程，這樣用戶進程就知道內核數據準備好了，可以開始執行 I/O 系統調用了。

和 Non-Blocking I/O 一樣，信號驅動 IO 的用戶進程在 I/O 的第一階段準備數據是非阻塞的，在第二階段數據拷貝是阻塞的

不過信號驅動 IO 基于回調機制，其實現和開發應用難度大，因此在實際中并不常用。

Asynchronous I/O

異步 I/O，先來解釋下什么是異步？

POSIX 的定義如下：

• 同步 I/O 操作（synchronous I/O operation）：導致請求進程阻塞，直到 I/O 操作完成
• 異步 I/O 操作（asynchronous I/O operation）：不導致請求進程阻塞

根據這個定義，我們可以做一個分類了，那就是上述四種 I/O 都是同步 I/O！因為它們無一例外都會在第二階段阻塞住用戶進程直到 I/O 操作完成。

這就是為什么你會看見有人把 “阻塞 I/O” 稱之為 “同步 阻塞 I/O”，把 “非阻塞 I/O” 稱之為 “同步 非阻塞 I/O” 了

而異步 IO 所謂的在整個 I/O 操作期間都不會阻塞用戶進程，其通常的工作機制是：

用戶進程告知內核啟動某個 I/O 操作，并讓內核在整個操作（包括將數據從內核復制到用戶緩沖區）完成后通知用戶進程。

這與 Signal Blocking I/O 的本質區別就是：

• Signal Blocking I/O 是在數據準備好了之后進行通知，告知應用進程可以啟動 I/O 操作進行拷貝數據了
• Asynchronous I/O 是在整個 I/O 操作完成了之后進行通知，告知應用進程 I/O 操作已經完成了

下圖給出了一個異步調用的例子：

用戶進程進行異步系統調用 aio_read? 之后，無論內核數據是否準備好，都會直接返回給用戶進程，然后用戶進程可以去做別的事情。等到數據準備好了，內核直接拷貝數據給用戶進程（不需要用戶進程再主動發起 recvfrom 系統調用），拷貝完畢后內核才會給用戶進程發送通知，告訴用戶進程操作已經完成了。

所以，異步 IO 的兩個階段，用戶進程都是非阻塞的，用戶進程將整個 IO 操作都交由內核完成，內核完成后會發送通知。在此期間，用戶進程不需要去檢查 IO 操作的狀態，也不需要主動的去拷貝數據。

五種 I/O 模型比較

本文理清了五種 I/O 模型，并區分了阻塞/非阻塞、同步和異步的概念

最后上張圖對比下，加深印象

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