五种IO模型

五种I/O模型

• 阻塞I/O
• 非阻塞I/O
• 信号驱动I/O
• 多路转接（多路复用） I/O
• 异步I/O

前面四种属于同步IO模型。

预备知识
I/O的两个步骤：

• （1）等待I/O事件就绪。
  就是等待内核将数据准备好
• （2）执行I/O操作。
  将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区，或者将数据从用户缓存区写入内核缓冲区。所谓的读入和写入本质是将数据拷贝过来、拷贝过去。

阻塞的文件描述符称为阻塞I/O；
I/O阻塞执行的系统调用，如果相关事件没有就绪，意味着不能被立即完成，此时就会被操作系统挂起，直到被等待事件就绪。

• 如果内核还没有将数据准备好，系统调用仍然会直接返回，并且设置EWOULDBLOCK错误码。

所有的套接字创建的时候默认都是阻塞的，套接字API中，可能被阻塞的系统调用包括accept、send、recv、connect。

非阻塞的文件描述符称为非阻塞I/O；
非阻塞I/O执行的系统调用，不管相关事件是否发生，总是立即返回。往往需要程序员使用循环的方式返回尝试读写文件描述符，这个过程称为轮询。

如果等待的事件没有立即发生，这些系统调用会以出错的形式返回的。其实它不是真正地调用失败，事件未就绪和真正的调用出错都是以出错的形式返回，区分这两个情况的关键在于错误码：

• 非阻塞I/O事件未就绪设置错误码
  （1）accept、send、recv而言，错误码通常被设置为EAGAIN(“再来一次”)/EWOULDBLOCK(“期望阻塞”)。
  （2）connect而言，错误码通常被设置为EINPROGRESS(“在处理中”)。

显然，非阻塞I/O很容易浪费CPU资源，通常不单独使用，而是和其他I/O通知机制一起使用

信号驱动I/O
可以为目标文件描述符指定宿主进程，这个进程将捕获到SIGIO信号。当内核将该目标文件描述符上的IO事件准备就绪时，会使用SIGIO信号通知应用进程进行I/O操作，然后SIGIO信号的信号处理函数会被触发。我们可以在SIGIO信号处理函数内部对目标文件描述符执行非阻塞I/O操作。

多路复用I/O
应用进程通过I/O复用函数向内核注册一组事件，能够同时等待多个文件描述符的I/O事件就绪，内核通过I/O复用函数将其中就绪的事件通知给应用进程。

Linux上常用的I/O复用函数：select、poll、epoll_wait。

注意：

• 程序阻塞于I/O复用系统调用，而对I/O本身的读写操作是非阻塞的。
• 多路复用是同步I/O中最高效的I/O模型，原因在于它们具有同时监听多个I/O事件的能力。

异步I/O
内核在数据拷贝完成后，通知应用程序（信号驱动是告诉应用程序何时开始拷贝数据）。

同步I/O与异步I/O的区别:

• 同步I/O要求用户自行执行I/O操作。内核将数据准备好后，由用户自己进行读写操作。
• 异步I/O由内核执行I/O操作。用户直接执行I/O操作，会告诉内核用户读写缓冲区的位置，以及I/O操作完成后内核通知应用程序的方式，接下来的I/O操作就交由内核接管。

Linux的aio.h头文件中定义了支持异步I/O的函数。