Unix下可用的5種I/O模型：

• 阻塞式I/O
• 非阻塞式I/O
• I/O復(fù)用
• 信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O
• 異步I/O

阻塞式I/O

最流行的I/O模型是阻塞式I/O模型择克，默認(rèn)情況下，所有套接字都是阻塞的比然。

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非阻塞式I/O

進(jìn)程把一個(gè)套接字設(shè)置成非阻塞是在通知內(nèi)核屈留，當(dāng)所有請(qǐng)求的I/O操作非得把本進(jìn)程投入睡眠才能完成時(shí)旧乞，不要把本進(jìn)程投入睡眠，而是返回一個(gè)錯(cuò)誤奸远。

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如圖前2次調(diào)用recvfrom時(shí)沒有數(shù)據(jù)返回既棺，因此內(nèi)核轉(zhuǎn)而立即返回一個(gè)
EWOULDBLOCK錯(cuò)誤，第3次調(diào)用時(shí)已有一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好懒叛，它將被復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)丸冕，于是recvfrom成功返回。

像這樣的過程我們稱之為輪詢薛窥，應(yīng)用進(jìn)程持續(xù)輪詢內(nèi)核胖烛，已查看某個(gè)操作是否就緒，這樣往往耗費(fèi)大量CPU資源拆檬。

I/O復(fù)用

I/O復(fù)用.jpg

select/epoll的好處就在于單個(gè)進(jìn)程就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的IO洪己。它的基本原理就是select，poll竟贯，epoll這些函數(shù)會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket答捕，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程屑那。

以select為例拱镐，當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了select艘款，那么整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞，而同時(shí)沃琅，內(nèi)核會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的fd哗咆，當(dāng)任何一個(gè)socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回益眉。這個(gè)時(shí)候用戶進(jìn)程再調(diào)用read操作晌柬，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶進(jìn)程。

I/O復(fù)用和阻塞式I/O相比不顯得有什么優(yōu)勢(shì)郭脂，事實(shí)上年碘，還更差一些。因?yàn)檫@里需要使用兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用(select 和 recvfrom)展鸡，而阻塞式I/O只有一個(gè)統(tǒng)調(diào)用(recvfrom)屿衅。
但是用select的優(yōu)勢(shì)在于它可以同時(shí)處理多個(gè)connection。所以莹弊，如果處理的連接數(shù)不是很高的話涤久，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大忍弛。select/epoll的優(yōu)勢(shì)并不是對(duì)于單個(gè)連接能處理得更快响迂，而是在于能處理更多的連接。

在IO multiplexing Model中剧罩，實(shí)際中栓拜，對(duì)于每一個(gè)socket座泳，一般都設(shè)置成為non-blocking惠昔。但是，如上圖所示挑势，整個(gè)用戶的進(jìn)程其實(shí)是一直被阻塞的镇防。只不過進(jìn)程是被select這個(gè)函數(shù)阻塞，而不是被socket IO給阻塞潮饱。

與I/O復(fù)用密切相關(guān)的另一種I/O模型是在多線程中使用阻塞式I/O来氧。這種模型與上述模型即為相似，但它沒有使用select阻塞在多個(gè)文件描述符上香拉，而是調(diào)用多個(gè)線程(每個(gè)文件描述符一個(gè)線程)啦扬。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)

信號(hào)驅(qū)動(dòng).png

首先開啟套接字的信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O功能，并通過sigaction系統(tǒng)調(diào)用安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)凫碌。該系統(tǒng)調(diào)用將立即返回扑毡，進(jìn)程繼續(xù)工作。

當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好讀取時(shí)盛险，內(nèi)核將為該進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)SIGIO信號(hào)瞄摊。然后在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)報(bào)勋又。

這種模型的優(yōu)勢(shì)在于等待數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)期間進(jìn)程不會(huì)被阻塞。

異步I/O模型

一般的說(shuō)换帜，異步I/O工作機(jī)制：告知內(nèi)核啟動(dòng)某個(gè)操作楔壤，并讓內(nèi)核在整個(gè)操作（包括將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到我們自己的緩沖區(qū)）完成后通知我們。

它和信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O區(qū)別是：信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O是由內(nèi)核通知我們何時(shí)可以啟動(dòng)一個(gè)I/O操作惯驼， 而異步I/O模型而是由內(nèi)核通知我們I/O操作何時(shí)完成蹲嚣。

異步I/O模型.jpg

同步I/O和異步I/O對(duì)比

• 同步I/O 導(dǎo)致請(qǐng)求進(jìn)程阻塞，直到I/O操作完成祟牲。
• 異步I/O 不會(huì)導(dǎo)致請(qǐng)求被阻塞端铛。

總結(jié).png

根據(jù)上述定義，前4種模型-- 阻塞式I/O模型疲眷，非阻塞式I/O模型禾蚕，I/O復(fù)用模型和信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O模型都是同步I/O模型，因?yàn)槠渲姓嬲腎/O操作將阻塞進(jìn)程狂丝。只有異步I/O模型與POSIX定義的異步I/O相匹配换淆。

• 附：關(guān)于同步和異步更廣泛的理解

  同步和異步關(guān)注的是消息通信機(jī)制。

  所謂同步几颜，就是在發(fā)出一個(gè)調(diào)用時(shí)倍试，在沒有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回蛋哭。但一旦調(diào)用返回县习，就得到返回值。意思是：調(diào)用者主動(dòng)等待調(diào)用結(jié)果谆趾。

  而異步則是相反躁愿，調(diào)用在發(fā)出之后，就立即返回沪蓬，調(diào)用者并不一定會(huì)立即得到結(jié)果彤钟。意思是：被調(diào)用者通過狀態(tài)，通知來(lái)告知知調(diào)用者結(jié)果。

  阻塞與非阻塞關(guān)注的是程序在等待調(diào)用結(jié)果時(shí)的狀態(tài)。

  阻塞調(diào)用是指在調(diào)用結(jié)果返回之前搁拙，當(dāng)前線程會(huì)被掛起，調(diào)用線程只有在得到結(jié)果之后才會(huì)返回梆砸。

  非阻塞調(diào)用指在不能立刻得到結(jié)果之前，該調(diào)用不會(huì)阻塞當(dāng)前線程园欣。

參考資料
[1]《UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程》3th [美] W.Richard Stevens帖世，Bill Fenner，Andrew M. Rudoff
[2] https://www.zhihu.com/question/19732473