常见的五种IO模型

一个通俗的例子

阻塞IO：你想喝水，用水壶自己烧水，需要自己盯着；烧开了需要自己倒在杯子里
非阻塞IO：你想喝水，用水壶自己烧水，烧上之后就去忙别的事情了，然后等2分钟回来看看有没有烧开；烧开了需要自己倒在杯子里
IO多路复用：你想喝水，你找了一个专门烧水的人给你烧水，他会给很多人烧水。你说我想烧水，他就给你烧上，你就可以去忙别的事情了；烧开了他就会打电话通知你，但是还需要自己倒在杯子里
信号驱动IO：你想喝水，你去了烧水房，全自动的，烧水房的通知灯和你家的门铃是相同的。水开了，你家门铃就会响，但是有时候你家来客人时门铃也会响。但仍然需要自己倒在杯子里
异步IO：和IO多路复用类似，区别于最后水烧开了，异步IO会帮你把水倒在杯子里，你就可以直接喝了

内核态与用户态

由于操作系统中分为内核态和用户态，内核态指操作系统内核，用户态指用户自己编写的程序。操作系统会分出不同的内存区域给内核和用户程序使用，两者之间井水不犯河水，互不干扰。

当用户程序需要进行磁盘IO或者网络请求时，需要经过内核发起调用（这是因为用户程序没有权限直接操作硬件的，在系统启动的时候，硬件驱动程序会注册到操作系统内核中，只有内核有权限直接调用）。如此，需要IO得数据会先从用户态进入到内核态，再从内核态到硬件，中间会进行两次复制，在用户态中的数据是由用户进程操作的，内核态中的数据是由内核进程进行操作的，这又会涉及到进程间的切换，当切换到内核态之后，用户进程会等待内核进程帮它取到数据。

因此读取数据时，用户进程分为两个阶段，第一个阶段是等待数据准备好，第二个阶段是数据拷贝。

下面所讲的五种IO都是对这两个阶段的描述。

五大IO模型

同步阻塞IO

阻塞IO指两个阶段都需要等待；

第一个阶段：用户进程等待数据从硬件读取到内核态

第二个阶段：用户进程等待数据从内核态拷贝到用户态

优点：实现简单

缺点：每个连接都需要一个线程，浪费资源，不适合高并发

同步非阻塞IO

非阻塞指用户进程在第一阶段轮询recvfrom调用查询是否数据准备好了。第二个阶段与阻塞IO一样，等待数据从内核态拷贝到用户态。

优点：线程不会长时间阻塞，可以在数据未就绪时执行其他任务

缺点：频繁的上下文切换，效率较低，不适合高并发

IO多路复用

在阻塞IO和非阻塞IO中，如果调用recvfrom时，如果没有数据，阻塞IO使CPU阻塞，非阻塞IO是CPU轮询空转。这两种模式在单线程的模式下，只能按顺序一个一个的处理IO，效率很低。

IO多路复用使用一个专门的线程监听数据是否就绪，这个专门的线程监听多个socket，哪个socket的数据准备好了之后再由应用程序调用recvfrom将数据从内核态拷贝到用户态。用于专门监听内核数据是否就绪的实现就是NIO中的select。

在linux中一切皆文件，一个IO本质就是一个socket，每个socket都与FD关联；IO多路复用就是使用FD来解决问题的。IO多路复用有三种实现，分别是select、poll、epoll。

优点：大大减少了上下文的切换，能够处理大量的并发连接，效率较高

缺点：依赖系统内核的支持，不同的多路复用实现（select、poll、epool）有各自的局限

信号驱动IO

在IO多路复用中，专门监听socket是否就绪的是需要有一个线程去轮询的。在信号驱动IO中不需要有一个专门的线程去轮询socket的状态，当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。此时从内核态拷贝到用户态仍。

优点：理论上可以避免轮询

缺点：对于TCP协议，同一个信号可能对应多种事件，难以精确区分。因此使用的比较少。

异步IO

用户进程调用aio_read后会直接返回，此时用户进程就可以去做别的事情了。等socket的数据就绪之后，内核把数据复制到用户态之后再通知用户进程进行数据处理，整个过程中，用户线程没有任何阻塞。

优点：真正的非阻塞

缺点：编程模型复杂。错误处理和状态处理较难。Linux下支持不完善。Windows实现了真正的AIO