Linux IO模型介绍以及同步异步阻塞非阻塞的区别

同步异步，阻塞非阻塞的区别

同步、异步

同步：用户进程发起IO后，进行就绪判断，轮询内核状态。
异步：用户进程发起IO后，可以做其他事情，等待内核通知。

阻塞、非阻塞

阻塞：用户进程访问数据时，如果未完成IO，调用的进程一直处于等待状态，直到IO操作完成。
非阻塞：用户进程访问数据时，会马上返回一个状态值，无论是否完成，此时进程可以操作其他事情。

IO模型

Linux下的五种I/O模型

阻塞I/O（blocking I/O）
非阻塞I/O（nonblocking I/O）
I/O复用(select和poll) （I/O multiplexing）
信号驱动I/O（signal driven I/O (SIGIO)）
异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）
Tip：前四种都是同步，只有最后一种才是异步I/O。

I/O发生时涉及的对象和阶段

Linux为了OS的安全性等的考虑，进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。
对于一个network I/O (这里我们以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个I/O的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1. 用户进程发起请求，内核接收到请求，从I/O设备中获取数据到buffer，等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
2. 将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间，即将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)
   记住这两点很重要，因为这些I/O Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

阻塞IO

从上图可以看到在整个过程中，当用户进程进行系统调用时，内核就开始了I/O的第一个阶段，准备数据到缓冲区中，当数据都准备完成后，则将数据从内核缓冲区中拷贝到用户进程的内存中，这时用户进程才解除block的状态重新运行。

所以，Blocking I/O的特点就是在I/O执行的两个阶段都被block了。

非阻塞IO

从上图可以看到在I/O执行的两个阶段中，用户进程只有在第二个阶段被阻塞了，而第一个阶段没有阻塞，但是在第一个阶段中，用户进程需要盲等，不停的去轮询内核，看数据是否准备好了，因此该模型是比较消耗CPU的。

IO复用

从上图可以看到在I/O复用模型中，I/O执行的两个阶段用户进程都是阻塞的，但是两个阶段是独立的，在一次完整的I/O操作中，该用户进程是发起了两次系统调用。

信号驱动IO

该模型也叫作基于事件驱动的I/O模型，可以看到该模型中，只有在I/O执行的第二阶段阻塞了用户进程，而在第一阶段是没有阻塞的。

乍看起来感觉和非阻塞模型很相似，其实不同之处就在于，该模型在I/O执行的第一阶段，当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，即对用户进程做一个回调。该通知分为两种，一为水平触发，即如果用户进程不响应则会一直发送通知，二为边缘触发，即只通知一次。

异步IO

在该模型中，当用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其它的事情，然后直到I/O执行的两个阶段都完成之后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。