所謂 I/O，就是 Input/Output，輸入/輸出，在操作系統(tǒng)中，輸入輸出操作其實并不簡單
工作在用戶態(tài)的應(yīng)用程序想要讀取磁盤中的具體文件內(nèi)容，就需要經(jīng)過 System Call（系統(tǒng)調(diào)用）陷入內(nèi)核態(tài)
因此，在操作系統(tǒng)中，輸入輸出操作通常都會包括以下兩個階段：
- 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)：內(nèi)核緩沖區(qū)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，等待其準(zhǔn)備好
- 數(shù)據(jù)拷貝：從內(nèi)核緩沖區(qū)向用戶緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù)
以網(wǎng)絡(luò)通信即 Socket 上的輸入操作為例，對應(yīng)的第一階就是等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)網(wǎng)卡（對于網(wǎng)絡(luò) I/O 來說，很多時候數(shù)據(jù)在一開始還沒有到達(dá)。比如，還沒有收到一個完整的 TCP 包。這個時候內(nèi)核就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來），然后從網(wǎng)卡中將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，這樣，數(shù)據(jù)就準(zhǔn)備就完成了；第二階段就是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到用戶緩沖區(qū)。
操作系統(tǒng)系統(tǒng)如何去管理輸入和輸出，從而獲取輸入和輸出的數(shù)據(jù)？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(fù)用
- Signal Blocking I/O：信號驅(qū)動 I/O
- Asynchronous I/O：異步 I/O
Blocking I/O
在 Linux 中，默認(rèn)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(yīng)具體的 I/O 系統(tǒng)調(diào)用的，以網(wǎng)絡(luò)通信為例，Blocking I/O 就對應(yīng)阻塞的系統(tǒng)調(diào)用 recvfrom
第一階段，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)：當(dāng)用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用 recvfrom 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，操作系統(tǒng)就開始了 I/O 的第一個階段-準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。這個過程需要等待，也就是說數(shù)據(jù)被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中是需要一個過程的。而在用戶進(jìn)程這邊，整個進(jìn)程會被阻塞住
解釋下 阻塞 的概念：源自操作系統(tǒng)對進(jìn)程/線程狀態(tài)的描述概念，其定義為：操作系統(tǒng)把進(jìn)程/線程從“運(yùn)行（running）狀態(tài)” 掛起為 “阻塞（blocked）狀態(tài)”（又稱“等待（waiting）狀態(tài)”）。當(dāng)進(jìn)程/線程處于阻塞狀態(tài)，則意味著其處于暫停運(yùn)行狀態(tài)，暫時不會被 CPU 調(diào)度執(zhí)行
第二階段，數(shù)據(jù)拷貝：當(dāng)內(nèi)核一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間中拷貝到用戶空間，然后系統(tǒng)調(diào)用 recvfrom 返回結(jié)果，用戶進(jìn)程才解除阻塞的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來
在上述步驟中，用戶進(jìn)程調(diào)用 recvfrom，該系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好且被復(fù)制到用戶緩沖區(qū)中才返回。
從調(diào)用 recvfrom 開始，到它返回數(shù)據(jù)的整段時間，用戶進(jìn)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(zhí)行的兩個階段用戶進(jìn)程都被阻塞住了”
recvfrom 成功返回后，用戶進(jìn)程才開始繼續(xù)處理。
Non-Blocking I/O
參考《Unix 網(wǎng)絡(luò)編程：第一卷》，書中是這樣描述 Non-Blocking I/O 的：
"進(jìn)程把一個套接字設(shè)置成非阻塞是在通知內(nèi)核，當(dāng)所請求的 I/O 操作非得把本進(jìn)程投入睡眠才能完成時，不要把進(jìn)程投入睡眠，而是返回一個錯誤"
意思就是，如果某個用戶進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用 recvform 嘗試獲取數(shù)據(jù)，但這時候數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好：
- 如果操作系統(tǒng)把這個進(jìn)程掛起，那就是 Blocking I/O
- 如果操作系統(tǒng)選擇立即給用戶進(jìn)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(tǒng)調(diào)用之后，如果數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，應(yīng)用進(jìn)程不會被阻塞住，recvfrom? 立即返回一個 EWOULDBLOCK? 錯誤。用戶進(jìn)程在收到 recvfrom 調(diào)用的返回信息之后，可以干點別的事情，然后再發(fā)起 recvform 系統(tǒng)調(diào)用。
重復(fù)上面的過程，不斷地進(jìn)行 recvform 系統(tǒng)調(diào)用。這個過程通常被稱之為**輪詢 (polling)**。輪詢檢查內(nèi)核數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，再拷貝數(shù)據(jù)到用戶進(jìn)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
需要注意的是，當(dāng) recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行拷貝數(shù)據(jù)的時候，用戶進(jìn)程同樣是被阻塞住的。
因此，Non-Blocking I/O 的特點就是用戶進(jìn)程需要不斷的主動詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了沒有，可以簡單記憶為 “IO 執(zhí)行的第一階段用戶進(jìn)程非阻塞，第二階段用戶進(jìn)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(wù)在同時進(jìn)行，人們就想到了循環(huán)查詢多個任務(wù)的完成狀態(tài)，只要有任何一個任務(wù)完成，就去處理它。這就是 I/O Multiplexing。
I/O Multiplexing 引入了新的系統(tǒng)調(diào)用 select/poll/epoll（也成為多路復(fù)用器），這幾個系統(tǒng)調(diào)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(yīng)用進(jìn)程的 Socket 注冊到一個多路復(fù)用器（select/poll/epoll）上，然后使用一個進(jìn)程來監(jiān)聽該多路復(fù)用器，多路復(fù)用器會不斷的輪詢所有注冊進(jìn)來的 Socket，只要有一個 Socket 的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，就會返回該 Socket。再由應(yīng)用進(jìn)程發(fā)起真正的 IO 系統(tǒng)調(diào)用（也就是 recvfrom，和 Blocking I/O 一樣），來完成數(shù)據(jù)讀取。
簡單來說，I/O Multiplexing 就是同時阻塞了多個應(yīng)用進(jìn)程，而且可以同時對多個 Socket 進(jìn)行檢測，直到有數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn) I/O Multiplexing 的 I/O 操作和 Blocking I/O 似乎差不多，事實上，IO 多路復(fù)用還更差一些，因為這里需要使用兩個系統(tǒng)調(diào)用 (select? 和 recvfrom?)，而 Blocking IO 只需要一個系統(tǒng)調(diào)用 (recvfrom)。
但是，IO 多路復(fù)用的優(yōu)勢并不是對單個連接能處理得更快，而是只需要一個進(jìn)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(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)起 I/O 操作的時候，首先通過系統(tǒng)調(diào)用 sigaction? 向內(nèi)核注冊一個信號處理函數(shù)，這個系統(tǒng)調(diào)用會立即返回不會阻塞用戶進(jìn)程；當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了就會發(fā)送一個 SIGIO 信號給用戶進(jìn)程，這樣用戶進(jìn)程就知道內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，可以開始執(zhí)行 I/O 系統(tǒng)調(diào)用了。
和 Non-Blocking I/O 一樣，信號驅(qū)動 IO 的用戶進(jìn)程在 I/O 的第一階段準(zhǔn)備數(shù)據(jù)是非阻塞的，在第二階段數(shù)據(jù)拷貝是阻塞的
不過信號驅(qū)動 IO 基于回調(diào)機(jī)制，其實現(xiàn)和開發(fā)應(yīng)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(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞，直到 I/O 操作完成
- 異步 I/O 操作（asynchronous I/O operation）：不導(dǎo)致請求進(jìn)程阻塞
根據(jù)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(jìn)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(jìn)程，其通常的工作機(jī)制是：
用戶進(jìn)程告知內(nèi)核啟動某個 I/O 操作，并讓內(nèi)核在整個操作（包括將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶緩沖區(qū)）完成后通知用戶進(jìn)程。
這與 Signal Blocking I/O 的本質(zhì)區(qū)別就是：
- Signal Blocking I/O 是在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了之后進(jìn)行通知，告知應(yīng)用進(jìn)程可以啟動 I/O 操作進(jìn)行拷貝數(shù)據(jù)了
- Asynchronous I/O 是在整個 I/O 操作完成了之后進(jìn)行通知，告知應(yīng)用進(jìn)程 I/O 操作已經(jīng)完成了
下圖給出了一個異步調(diào)用的例子：
用戶進(jìn)程進(jìn)行異步系統(tǒng)調(diào)用 aio_read? 之后，無論內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，都會直接返回給用戶進(jìn)程，然后用戶進(jìn)程可以去做別的事情。等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，內(nèi)核直接拷貝數(shù)據(jù)給用戶進(jìn)程（不需要用戶進(jìn)程再主動發(fā)起 recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用），拷貝完畢后內(nèi)核才會給用戶進(jìn)程發(fā)送通知，告訴用戶進(jìn)程操作已經(jīng)完成了。
所以，異步 IO 的兩個階段，用戶進(jìn)程都是非阻塞的，用戶進(jìn)程將整個 IO 操作都交由內(nèi)核完成，內(nèi)核完成后會發(fā)送通知。在此期間，用戶進(jìn)程不需要去檢查 IO 操作的狀態(tài)，也不需要主動的去拷貝數(shù)據(jù)。
五種 I/O 模型比較
本文理清了五種 I/O 模型，并區(qū)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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