【OS】深入理解Linux的五种IO模型

最近逛论坛在知乎看到一篇非常不错的文章，遂收藏，分享给大家
又加深了对io模型的理解

知乎一篇文章：深入理解Linux的五种IO模型

Linux的五种IO模型

阻塞I/O (Blocking I/O)

• 特点：进程在数据准备和拷贝阶段均被挂起，直到操作完成

• 流程：

1. 调用recvfrom()后线程阻塞
2. 内核等待数据到达内核缓冲区
3. 数据从内核空间拷贝到用户空间
4. 函数返回成功
   • 优点：实现简单，适合低并发场景

• 缺点：每个连接需独立线程/进程，资源消耗大

非阻塞I/O (Non-blocking I/O)

• 特点：立即返回EWOULDBLOCK错误码，需轮询检查状态

• 流程：

1. 调用recvfrom()立即返回（无数据时返回错误）
2. 进程持续轮询检查数据状态
3. 数据就绪后完成拷贝
   • 优点：避免线程阻塞

• 缺点：CPU空转消耗高，实时性差

I/O多路复用 (I/O Multiplexing)

• 核心机制：通过select/poll/epoll监控多个文件描述符

• 工作流程：

1. 将多个fd注册到监听集合
2. 调用select()阻塞等待任一fd就绪
3. 遍历就绪fd进行数据读写
   • 技术对比：

• select：位图管理，有1024fd限制

• poll：链表实现，无数量限制

• epoll：回调机制，性能最优

• 优点：单线程处理多连接，高并发场景首选

信号驱动I/O (Signal-driven I/O)

• 原理：通过SIGIO信号通知数据就绪

• 流程：

1. 注册信号处理函数（如sigaction）
2. 内核发送SIGIO信号通知数据就绪
3. 在信号处理函数中调用recvfrom()
   • 优点：避免轮询消耗

• 缺点：信号处理复杂，TCP适用性有限

异步I/O (Asynchronous I/O)

• 核心特征：内核完成全部操作后通知进程

• 流程：

1. 调用aio_read()立即返回
2. 内核自主完成数据准备和拷贝
3. 通过回调或信号通知进程
   • 与同步I/O的本质区别：数据拷贝由内核发起

• 优点：完全非阻塞，性能最高

• 缺点：实现复杂，需内核支持（Linux 2.6+）

关键对比

模型	等待阶段是否阻塞	拷贝阶段是否阻塞	触发方式
阻塞I/O	是	是	同步
非阻塞I/O	否（轮询）	是	同步
I/O多路复用	是（select阻塞）	是	同步
信号驱动I/O	否	是	同步（信号）
异步I/O	否	否	异步

典型应用场景
• 阻塞I/O：简单客户端工具

• epoll多路复用：Nginx/Redis等高并发服务器

• 异步I/O：大规模存储系统（如数据库）