【操作系统】I/O模型

阻塞I/O

说明：应用程序调用recvfrom函数，会导致应用程序阻塞，进入阻塞状态后直到I/O操作结束才会返回；如果系统内核数据没有准备好，那就一直等待数据准备，内核数据准备好之后数据从内核拷贝到用户空间，拷贝结束后，阻塞返回，这个过程中应用程序一直在等，做不了任何事情。

优点：开发简单，容易入门。在阻塞等待期间，用户线程挂起，在挂起期间不会占用CPU资源。

缺点：一个线程维护一个IO，不适合大并发，在并发量大的时候需要创建大量线程来维护网络连接，内存、线程开销非常大。

非阻塞I/O

说明：用户线程发起IO请求时如果没有数据就绪则立即返回，返回字段为“EWOULDBLOCK”，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，即“轮询”机制，这个过程中用户线程不会阻塞，可以执行其他任务。 整个IO请求过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，需要不断地轮询、重复请求、消耗了大量的CPU资源，是比较浪费CPU的方式。

优点：每次发起IO调用，在内核等待数据的过程中可以立即返回、用户线程不会阻塞，实时性好。

缺点：多个线程不断轮询内核是否有数据，占用大量CPU资源。

I/O多路复用

说明：在I/O复用模型中，并不是阻塞到I/O操作过程中，而是阻塞到监听函数中； 以select为例：进程在select处阻塞，等待几个描述符中的一个变为可操作，如果没等待到就继续阻塞在第一阶段，如果等到了一个描述符变为了可操作，则调用recvfrom函数将数据拷贝到应用缓冲区。

优点：系统不必创建维护大量线程，只使用一个线程就可以同时监听大量连接，大大减少系统开销。

缺点：本质上，select、poll、epoll的系统调用是阻塞式的，属于同步IO，需要在读写事件就绪后，应用程序发起系统调用进行阻塞读写。

信号驱动I/O

说明：应用程序注册一个SIGIO信号处理函数，如果数据没有准备好，则立即返回结果，进程继续工作并不阻塞。当数据准备好时，系统内核会主动发送一个SIGIO信号给应用程序，应用程序收到信号后，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数recvfrom进行数据处理。

优点：进程不需要轮询等待数据就绪，而是通过信号异步通知，减少 CPU 的轮询负担。

缺点：本质上，信号驱动IO在数据准备完毕时通过信号异步通知，而对于数据从内核空间到用户空间仍需要用户发起系统调用，这个过程是同步的。

异步I/O

说明：用户发出系统调用后，立刻就可以做其他的事，不会产生任何阻塞。由内核等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户空间，当这一切完成后，内核会给用户进程发送一个信号，告诉它操作已经完成。可见整个过程都是内核完成的，当处理完毕，只需要通知应用进程即可。

优点：真正的非阻塞！

五种IO模型对比：

对于前四种IO模型，主要区别在第一阶段，它们的第二阶段是一样的：数据从内核缓冲区拷贝到用户空间是阻塞的，这个过程需要应用程序发出系统调用，是同步的过程。（只有同步IO才考虑阻塞和非阻塞，异步IO肯定是非阻塞的）。注意，对于信号驱动IO，在数据准备阶段是异步的，由内核处理完成通过信号异步通知应用程序。

简单回答

• 阻塞 I/O：进程发起 I/O 请求时，会被阻塞，直到 I/O 操作完成，简单，但效率低。
• 非阻塞 I/O：进程不阻塞，可以继续执行其他任务，但需要主动查询 I/O 状态，消耗CPU。
• I/O 多路复用：通过单个进程或线程管理多个 I/O 操作，适用于高并发场景。
• 信号驱动 I/O：通过信号机制通知进程 I/O 完成，减少 CPU 轮询负担。
• 异步 I/O：最先进的模型，完全非阻塞，I/O 完成后通过回调或通知进行处理，适用于高并发且要求低延迟的应用。