操作系统中的IO模型

为了保护操作系统的安全，通过缓存加快系统读写，会将内存分为用户空间和内存空间两个部分。如果用户想要操作内核空间的数据，则需要把数据从内核空间拷贝到用户空间（数据会放到内核空间的page cache中，这种也叫做缓存IO）。

举个栗子：
如果服务器收到了从从客户端过来的请求，并且想要进行处理，那么需要经过这几个步骤：

• 服务器的网络驱动接收到消息之后，向内核申请空间，并在收到完整的数据包（这个过程会产生延时，原因是有可能是通过分组传送过来的）后，将其复制到内核空间；
• 数据从内核空间拷贝到用户空间；
• 用户程序进行处理

我们再详细的探究服务器中的文件读取，对于Linux来说，Linux是一个将所有的外部设备都看作是文件来操作的操作系统，在它看来：everything is a file，那么我们就把对外部设备的操作都看作是对文件进行操作。而且，我们对一个文件进行读写，都需要通过调用内核提供的系统调用。

而在Linux中，一个基本的IO会涉及到两个系统对象：一个是调用这个IO的进程对象（用户进程），另一个是系统内核。也就是说，当一个read操作发生时，将会经历以下阶段：

• 通过read系统调用，向内核发送读请求；
• 内核向硬件发送读指令，并等待读就绪；
• DMA把将要读取的数据复制到指令的内核缓冲区；
• 内核将将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程空间中；

正是由于上面的几个阶段，导致了file中的数据被用户进程消费是需要过程的，这也就是延伸出了5中IO方式，分别是同步阻塞型IO模型、同步非阻塞型IO模型、IO复用模型、信号驱动模型、以及异步IO模型。

逐一拓展

通过一个例子来分别说明这五种IO模型：

eg：假设小A需要去社保局柜台办事，拿号排队的例子

同步阻塞IO模型

**从系统调用recv到将数据从内核复制到用户空间并返回，在这段时间内进程始终阻塞。**就相当于，小A想去柜台办理业务，假如现在柜台业务繁忙，他也要排队，直到排到他办理完业务，才能去做别的事情。显然，这个IO模型是同步且阻塞的。

同步非阻塞IO模型

在这里recv不管有没有获得到数据都要返回，如果没有数据的话就过段时间再调用recv来看一看，如此循环。 就像是小A来柜台办理业务，发现柜员休息，挂出来暂停服务的牌子，这个时间小A就离开了，小A出去买了一根火腿肠吃上一吃，吃完小A就又回来看看柜员开始营业了没有，直到终于碰到柜员营业了，这才办理业务。我们可以看到，在小A中间离开的这段时间，他可以做自己的事情。回到正题，但是这个模型只有在检查无数据的时间是非阻塞的，在数据到达的时候依然要等待复制数据到用户空间（办理业务），因此它还是同步IO。

IO复用模型

在IO复用模型中，调用recv之前会先调用select或者poll，这两个系统调用都可以在内核准备好数据（网络数据已经到达内核了）时告知用户进程，它准备好了，这个时候再调用recv时是一定有数据的。因此，在这个模型中，进程阻塞于select或者poll，而没有阻塞在recv上。 就相当于，小A来柜台办理业务，大厅保安告诉他，现在没有空闲的柜台，所有柜台都有人在办理业务，等有空位的时间会告诉他。于是小A就等呀等（select或者poll调用中……），过了一会大厅保安告诉他有柜台空闲出来了，可以办理业务了，但是具体是几号柜台，你自己去找一下吧，于是小A就只能挨个柜台找呀找。

信号驱动IO模型

此处会通过调用sigaction注册信号函数，在内核数据准备好的时候，系统就会中断当前程序，执行信号函数（在这里调用recv）。 相当于，小A让大厅保安在柜台有空位的时候通知他（注册信号函数），等没多久大厅保安通知他，因为他是人才，所以专门给他开了一个柜台来办理业务，小A就去特席柜台办理业务了，但即使在等待的过程中是非阻塞的，但在业务办理的过程中依然是同步的。

异步IO模型

调用aio_read指令，内核把数据准备好，并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。 也就是说，小A交代大厅保安，我是人才，你把业务给我办理好了再通知我来验收，在这个过程中小A可以去做自己想做的事情。这就是真正的异步IO模型。

我们可以看到，前四种模型都是属于同步IO模型，因为在内核数据复制到用户空间这一个过程都是阻塞的。而最后一种异步IO，是通过将IO操作交给操作系统处理，当前的进程不关心具体IO的实现，后来再通过回调函数，或信号量通知当前进程直接对IO返回结果进行处理。

上一篇介绍: 如何理解select、poll、epoll？