linux五种I/O模型

1.基本概念

1.1同步和异步

　　同步和异步关注的是消息通信机制

1.1.1同步

　　所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，调用就不返回，一直在等，但是一旦调用返回，就能得到返回值。

1.1.2异步

　　异步与同步相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，调用者不能立刻得到结果，而是在调用彻底完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者

1.1.3举例

　　你打电话问书店老板有没有《计算机网络》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，”我查一下"，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。

1.2阻塞与非阻塞

　　阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态

1.2.1阻塞

　　阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（即线程暂停运行），调用线程只有在得到结果之后才会返回；对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已

1.2.2非阻塞

　　非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会挂起当前线程

1.2.3举例

　　还是上面的例子，你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了，当然你也要偶尔过几分钟检查一下老板有没有返回结果。在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关，跟老板通过什么方式回答你结果无关

1.3一个输入操作（input）的两个阶段

1）等待数据准备好

2）内核向进程复制数据

2.阻塞式I/O模型

1）简介：进程会一直阻塞，直到数据被拷贝到进程的缓冲区

2）进程在从调用recvfrom开始到它返回的整段时间内是被阻塞的。recvfrom成功返回后，进程开始处理数据

3.非阻塞式I/O模型

1）简介：非阻塞IO通过进程不断地调用IO函数，每次调用IO函数若没有数据可返回，则内核转而立即返回一个错误，直至数据准备好，此时将数据拷贝到进程的缓冲区

2）前三次调用recvfrom时没有数据可返回，因此内核每次都立即返回一个EWOULDBLOCK错误；第四次调用recvfrom时已有数据报准备好，它被拷贝到应用进程缓冲区，recvfrom于是成功返回，接着处理数据

3）不断调用IO函数的过程是非阻塞的，数据拷贝的过程是阻塞的

4）进程对一个非阻塞描述符循环调用IO函数时，称之为轮询；轮询往往耗费大量CPU时间

4.I/O复用模型

1）简介：I/O复用会调用select、poll、epoll函数，这三个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这三个函数可以可以同时侦听多个套接口，当有某个套接口可读时，才真正调用recvfrom

2）使用I/O复用的优势在于可以同时等待多个套接口（在多线程中使用阻塞I/O模型与I/O复用模型类似，此时，I/O多路复用的最大优势是系统开销小）

适用场景

1）当一个客户同时处理多个套接字时，而这种情况是可能的，但很少出现

2）如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用

3）如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，如：即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用

5.信号驱动式I/O模型

1）简介：让内核在数据准备就绪时发送SIGIO信号通知进程

2）通过sigaction安装一个信号处理函数，当数据准备好时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号，随后进程将在信号处理函数中调用recvfrom处理数据

3）这种模型的优势在于等待数据期间，进程不被阻塞

5.异步I/O模型

1）简介：内核启动某个操作，内核在数据拷贝到进程缓冲区完成后，再通知进程

2）异步I/O模型与信号驱动式I/O模型的主要区别：信号驱动I/O是由内核通知进程何时启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知进程I/O操作已经完成了

6.同步I/O模型和异步I/O模型

POSIX标准定义：

1）同步I/O模型：I/O操作将导致进程阻塞的模型，就叫同步I/O模型

2）异步I/O模型：I/O操作不导致进程阻塞的模型，就叫异步I/O模型

3）根据上述定义，前4种模型——阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、I/O复用模型和信号驱动I/O模型都是同步I/O模型，因为其中真正的I/O操作（recvfrom）都将阻塞进程；只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配