五种I/O模型

1. blockingIO - 阻塞IO
2. nonblockingIO - 非阻塞IO
3. IOmultiplexing - IO多路复用
4. signaldrivenIO - 信号驱动IO
5. asynchronousIO - 异步IO

5种模型的前4种模型为同步IO，只有异步IO模型是异步IO操作

首先，我们知道对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

第一阶段：等待网络数据到达网卡→读取到内核缓冲区（数据准备好）

第二阶段：从内核缓冲区复制数据到进程缓冲区（复制数据了）

这很显然是两个操作，所以我们重点关注以下2点操作：

A、等待数据读取到内核缓冲区（数据准备）

B、复制内核缓冲区数据到进程缓冲区（数据复制）

1、阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个IO处理完毕后返回进程。

调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的去检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回才能进行下一步动作。

即：A阻塞，B阻塞

举例：

你准备去书店买书，但老板不在，留了电话

你打电话问老板：有没有《三体》卖？

老板查了一下说：书店里没有《三体》，我打个电话让供应商送货，你等一下

然后你就一直在书店里等着，不吃饭，不睡觉（进入A阶段，等待数据，陷入了IO阻塞）

过了一段时间，供应商把书送到书店

老板打电话给你：书已经到了，你有空吗？等你有空，我才当面把书交给你（进入B阶段，数据复制，阻塞住了）

交易完成

2、非阻塞IO模型

进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区没有数据，需要到IO设备中读取，进程返回一个错误而不会被阻塞，但会一直轮询内核缓冲区数据准备好了没。进程发起IO系统调用后，如果内核缓冲区有数据，内核就会把数据返回进程。

非阻塞等待，每隔一段时间就去检测IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事。非阻塞I/O执行系统调用总是立即返回，不管时间是否已经发生，若时间没有发生，则返回-1，此时可以根据errno区分这两种情况，对于accept，recv和send，事件未发生时，errno通常被设置成eagain。

即：A不阻塞，B阻塞

举例：

你准备去书店买书，但老板不在，留了电话

你打电话问老板：有没有《三体》卖？

老板查了一下说：书店里没有《三体》，我打个电话让供应商送货，你先回家去吧，过几天再来问（进入A阶段，等待数据，但非阻塞）

想象：你回到家，该吃就吃，该喝就喝，隔了1周后才打电话问老板书到了没？（非阻塞，继续做别的事情）

但一般编程，都会设置轮询IO，即：

实际：你回到家，循环不停地打电话给老板，我的书到了没？（陷入事实上的轮询IO阻塞，相当于死循环，即使属于非阻塞模型）

过了1个小时，老板说：书已经到了，你有空吗？等你有空，我才当面把书交给你（进入B阶段，数据复制，阻塞住了）

交易完成

3、IO多路复用模型

多个进程的IO可以注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程调用该复用器（select）。 复用器（select）会监听所有注册进来的IO。如果复用器（select）所监听的IO在内核缓冲区都没有可读数据，复用器（select）调用进程会被阻塞；而当任一IO在内核缓冲区中有可数据时，复用器（select）调用就会返回。之后复用器（select）通知注册进程来再次发起读取IO，读取内核中准备好的数据。

linux用select/poll函数实现IO复用模型，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这两个函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检测。知道有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。

即：A不阻塞，B阻塞

举例：

对于书店老板来说，他对接的是多个客人。你，张三，李四都打电话给老板，要买书

你买《三体》，张三买《鲁迅》，李四买《史记》，然后最坏的情况，3本书老板都没有

老板说：我打个电话让供应商送货，你们先别一直打电话，书到了我再打电话让你们过来取

实际：你，张三，李四挂了电话，就去吃饭睡觉，做自己的事了（进入A阶段，等待数据，但非阻塞）

老板一直等不到供应商来送货，但自己需要一直等待着（陷入事实上的select/poll/epoll阻塞）

此时供应商送来一本书，但老板不知道属于谁，得遍历一边购书单，发现是你的书

老板打电话给你：书已经到了，你有空吗？等你有空，我才当面把书交给你（进入B阶段，数据复制，阻塞住了）

交易完成

4、信号驱动IO模型

当进程发起一个IO操作，会向内核注册一个信号处理函数 ，然后进程返回；当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，进程便在信号处理函数中调用IO读取数据

linux用套接口进行信号驱动IO，安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO时间就绪，进程收到SIGIO信号。然后处理IO事件。

即：A不阻塞，B阻塞

举例：

你准备去书店买书，但老板不在，留了电话

你打电话问老板：有没有《三体》卖？

老板查了一下说：书店里没有《三体》

然后你说：我给你留个收货地址。如果书到了，你打电话给我，我会让别人在这个地址接收你的书

然后你就回家去了，该干嘛干嘛（进入A阶段，等待数据，但留了回调函数，非阻塞）

老板打电话给你：书已经到了，让你的人准备好，我才当面把书交给你的人（进入B阶段，数据复制，阻塞住了）

交易完成

5、异步IO模型

当进程发起一个IO操作，进程立即返回，但也不返回结果；内核把整个IO处理完后，会通知进程结果。如果IO操作成功则进程直接获取到数据。所谓的通知进程结果，是指：包含将数据从内核复制到应该进程的缓冲区，完成后通知应用进程，也就是说，已经完成了A B 2个步骤了，才通知请求进程，此时请求进程直接获取到数据，根本不会阻塞，即所谓的异步。

linux中，可以调用aio_read函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

即：A不阻塞，B不阻塞

你准备去书店买书，但老板不在，留了电话

你打电话问老板：有没有《三体》卖？

老板查了一下说：书店里没有《三体》，你留个地址，书到了我会把书送到你家去

然后你就回家去了，该干嘛干嘛（进入A阶段，等待数据，非阻塞）

老板接收到供应商的书，把书放到你家楼下，而此时你在家睡觉（进入B阶段，数据复制，非阻塞）

老板打电话给你：书已经到了，在你家楼下，自己去拿吧

交易完成

总结

根据上面所说的IO操作的两个阶段，可以把上面的I/O模型进行如下归类:

阻塞IO：在两个阶段上面都是阻塞的，A阶段阻塞，B阶段还是阻塞
非阻塞IO：在A不阻塞（但陷入事实上的轮询IO阻塞），B阶段还是阻塞的
IO复用：A阶段不阻塞（陷入事实上的select/poll/epoll阻塞），B阶段还是阻塞的
信号IO：A阶段不阻塞，当信号通知程序数据准备完毕，B阶段还是阻塞的
异步IO：A阶段不阻塞，B阶段不阻塞

现在，我们可以看到，前4种IO模型的B阶段：数据复制阶段都是阻塞，也就是按POSIX标准来说的同步IO，最后1种异步IO模型，才是按POSIX标准来说的异步IO。

同步一般指主动请求并等待I/O操作完毕的方式，I/O操作未完成前，会导致应用进程挂起

而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知（异步的特点就是通知），这可以使进程在数据读写时也不阻塞

阻塞或者非阻塞I/O主要是指I/O操作第一阶段的完成方式(进程访问的数据如果尚未就绪)，即数据还未准备好的时候，应用进程的表现

如果这里进程挂起，则为阻塞I/O，否则为非阻塞I/O，主要是描述进程在数据未准备好时的状态，根据进程等待数据时的状态来判断

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式：

说白了就是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待

而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值