操作系统 ------ 五种IO模型

阻塞IO：一个IO请求操作，准备阶段和复制阶段都会阻塞应用程序，直到操作完全完成

非阻塞IO：一个IO操作请求，先判断准备阶段是否完成，如果未完成立即返回，否则，进入复制阶段，在这个复制阶段是阻塞的，直到操作完全完成

同步IO：同步IO包含阻塞IO和非阻塞IO，所以这里的同步指的是IO操作请求的完全完成。不论是阻塞还是非阻塞IO在复制阶段都是阻塞的。

异步IO：一个IO操作请求就立刻返回，直到准备阶段与复制阶段都完成了，内核才通知应用程序。这时候应用程序可以直接操作用户系统了

IO有两个阶段：数据准备+数据读写，这两个操作完成了一个完整的IO操作

IO=等待+拷贝

一、五种I/O模式

阻塞和非阻塞都是同步IO

1.阻塞式IO模式

我们默认情况下，所有套接字都是阻塞的。

输入操作流程通常包括两个不同阶段：

（1）等待数据准备好

（2）从内核向进程复制数据

        对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有等待分组到达时，他被复制到内核中的缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。接下来以阻塞套接字的recvfrom的调用图来说明阻塞。

        在调用recvfrom一直到从recvfrom返回这段时间是阻塞的，当recvfrom正常返回时，我们的进程继续操作 。

2.非阻塞IO模型

        非阻塞的read，指的是在数据到达前，即数据还未到达网卡，或者到达网卡还没有拷贝到内核缓冲区之前，这个阶段是非阻塞的。当数据到达内核缓冲区，调用read函数仍然是阻塞的，需要等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，才能返回。

        开始对recvfrom三次调用，由于系统没有收到网络数据，所以内核马上返回EWOULDBLOCK的错误。当第四次调用recvfrom函数，一个数据报已经到了，内核将它拷贝到我们的应用程序的缓冲区中，然后recvfrom正常返回，我们就可以对接受到的数据进行处理。

3.I/O多路复用

        此模型用到select和poll函数，这两个函数也会使进程阻塞，select先阻塞，有活动套接字才返回，但是和阻塞I/O不同的是，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写（就是监听多个socket）。select被调用后，进程会被阻塞，内核监视所有select负责的socket，当有任何一个socket的数据准备好了，select就会返回套接字可读，调用recvfrom处理数据。

4.信号驱动I/O模式

SIGIO：文件描述符准备就绪，可以开始进行输入/输出操作

首先我们允许套机口进行信号驱动I/O，进程运行并且不阻塞，当数据准备好时，进程收到一个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。瞬间准备好读取时，内核就会为进程产生一个SIGIO信号，随后调用recvfrom读取数据报，并且通知主循环数据已经准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。（免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理）

信号驱动I/O优势：

        用户进程在等待数据时，并不会被阻塞。

信号驱动I/O缺点：

1. 在大量IO事件发生时，可能会由于处理不过来，而导致信号队列溢出
2. 对于UDP来讲，信号驱动IO是有用的。可是，对于TCP来说由于区分信号成本问题，故不太适合
3. 信号驱动IO可以说为异步，但是异步的又不彻底。在等待数据阶段是异步的，但是将数据从内核拷贝到用户空间，用户进程是阻塞的，同步的。

5.异步I/O模式

        工作模式：进程告诉内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到用户空间）完成后通知我们。

参考：五种IO模型-优快云博客