I/O模型

前言

本文是UNIX领域5种常见的I/O模型的总结，这5种I/O模型是:

为了方便描述, 把recvfrom函数抽象为某种执行I/O操作的系统调⽤api , 视为应用程序和内核的交互 (系统调用会从在应⽤进程空间中运⾏切换到在内核空间中运⾏，⼀段时间之后再切换回来)

进程调⽤recvfrom ，数据报到达且被复制到应⽤进程的缓冲区中或者发⽣错误时, 系统调⽤才返回。

进程会把⼀个套接字设置成⾮阻塞, 是在通知内核：当所请求的I/O操作没有完成时，不要把本进程投⼊睡眠，⽽是返回⼀个错误。

前三次recvfrom调⽤是应⽤进程轮询(polling)调用, 因为没有数据可返回，因此内核转⽽⽴即返回⼀个错误。第四次调⽤recvfrom时已有⼀个数据报准备好，它被复制到应⽤进程缓冲区，于是recvfrom成功返回, 进程可以接着处理数据

进程阻塞于select调⽤，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这⼀条件时，进程调⽤recvfrom把所读数据报复制到应⽤进程缓冲区。

对比阻塞式I/O模型，I/O复用模型的劣势是使⽤select需要两个⽽不是单个系统调⽤，优势在于我们可以等待多个描述符就绪。

另外，类似于select的系统调用还有poll、epoll

使⽤信号让内核在描述符就绪时发送信号通知进程，这种模型被称为信号驱动式I/O模型

程序⾸先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并通过系统调⽤安装⼀个信号处理函数，该系统调⽤将⽴即返回，进程无阻塞地继续⼯作。

内核会在数据报准备好被读取时，为进程产⽣⼀个SIGIO信号，进程随后可以进行处理数据报的读取操作。这个操作既可以在信号处理函数中调⽤recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以⽴即通知主循环，让它读取数据报。

这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。

异步IO函数的⼯作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到我们⾃⼰的缓冲区）完成后通知进程

和信号驱动模型的主要区别在于: 信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动⼀个I/O操作，⽽异步I/O模型是由内核通知我们 I/O操作何时完成。

POSIX把这两个术语定义如下：

同步I/O操作:导致请求进程阻塞，直到I/O 操作完成；
异步I/O操作:不导致请求进程阻塞。

那么, 根据POSIX的定义, 在阻塞式I/O模型、⾮阻塞式I/O模型、I/O复⽤模型和信号驱动式I/O模型中, 真正的 I/O操作（ recvfrom）阻塞了进程, 所以这4种模型是同步I/O。在异步I/O模型中, 真正的 I/O操作（ recvfrom）没有阻塞进程, 所以是异步I/O.

一般而言,可以把IO操作看作两步, 第一步是发起IO的请求, 第二步是实际的IO操作

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步操作是否阻塞 :

如果发起的IO请求阻塞到一直到请求完成, 是传统的阻塞IO。

如果发起的IO请求不阻塞，是非阻塞IO。
同步IO和异步IO的区别在于第二步操作是否阻塞：

如果实际的IO操作阻塞了进程，就是同步IO。阻塞式I/O模型、⾮阻塞式I/O模型、I/O复⽤模型和信号驱动式I/O模型 都是同步IO.

如果实际的IO操作不阻塞进程, 而是操作系统帮用户做完实际的IO操作后再将结果返回给用户, 那么就是异步IO。异步I/O模型属于异步I/O.