（转载）IO模型

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简介

参考《UNIX Network Programming Volume 1, ThirdEdition [Electronic resources] : The Sockets Networking API》

进程运行状态分为内核态和用户态两种。

对于文件读取：

第一步：等待数据准备

第二步：将数据从内核空间复制到用户空间中

对于socket：

第一步：等待网络上的数据到达，然后被复制到内核空间

第二步：将数据从内核空间复制到用户空间中

 

同步与异步

同步与异步关注的是进程与内核的交互。同步进程触发IO并等待或者轮询IO是否完成。 异步进程触发IO后直接返回，IO交给内核来处理，完成后内核通知进程IO完成。

 

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是进程（线程）在等待调用结果时的状态。阻塞是指调用结果返回之前，当前进程（线程）会被挂起。非阻塞则相反，当前进程（线程）不会被挂起。

 

同步阻塞IO模型

 

进程执行recvfrom系统调用后进程阻塞，等待数据准备好，此时进程让出CPU。当数据准备好后，等待内核将数据复制到用户空间。复制完成后，recvfrom系统调用返回成功，进程解除阻塞。此模型特点是IO过程的两步都会等待。

 

同步非阻塞IO模型

 

进程执行recvfrom系统调用，如果数据还没有准备好，那么recvfrom系统调用返回一个错误。这个过程一直重复，直到数据准备好后，等待内核将数据复制到用户空间。复制完成后，recvfrom系统调用返回成功。此模型特点是，IO过程的第一步不需要等待，而是进程需要不断地询问内核数据是否准备好，此时进程不会让出CPU，而会一直占用CPU，浪费了大量的CPU资源，因此不常用。

 

多路复用IO模型

 

进程执行select系统调用后，进程阻塞。内核监控多个套接字，当某个套接字数据准备好了，则select系统调用返回。此时进程发起recvfrom系统调用，内核将数据复制到用户空间。复制完成后，recvfrom系统调用返回成功。此模型特点是，对于单个IO操作，和阻塞IO相比并没有什么不同。事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select 和 recvfrom)，而阻塞IO只调用了一个system call (recvfrom)。不过它适合于同时处理多个IO操作，当其中的任意一个进入可读状态，select系统调用就可以返回。在非阻塞IO中，不断地询问socket状态是通过用户进程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户进程高的多。

 

信号驱动IO模型

在信号驱动IO模型中，给某个的IO操作注册一个信号处理函数，进程发起sigaction系统调用，等待数据准备好，此时并不会阻塞，用户进程可以执行别的任务。当内核数据准备好了，就会发送一个信号给用户进程，用户进程接收到信号之后，便在信号处理函数中执行recvfrom系统调用，内核将数据复制到用户空间。复制完成后，recvfrom系统调用返回成功。这个模型并不是真正的异步，因为用户进程还要执行recvfrom系统调用，这一步需要等待。

 

异步IO模型

进程执行aio_read系统调用，该系统调用立即返回。具体的数据准备和复制全部由内核来完成，用户进程可以执行别的任务。

 

总结

同步有阻塞和非阻塞之分，异步没有，它一定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。

多路复用和信号驱动，在处理业务逻辑上可以说有异步，但在IO操作层面上来说还是同步的。posix.1严格定义的异步IO是要求没有任何一点阻塞，而上述的前面四个（阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动）都不同程度阻塞了，而且都有一个共同的阻塞： 将数据从内核空间复制到进程空间。