I/O 其实就是 input 和 output（输入输出）

在计算机操作系统中对应数据流的输入与输出，在 Linux 中，既有文件的 I/O，也有网络 I/O

无论是文件 I/O 还是网络 I/O，其传输过程都是类似的

今天我们以文件 I/O 为例，来深入浅出一下 Linux 的 I/O 模型

我们的程序想要打开一个文件，去查看里面的内容，那么就需要将文件内容加载到内存里面，这个过程是一个比较复杂的过程

首先需要通过内核将数据从硬盘中读取出来，然后放到操作系统的内核缓冲区中，然后再将数据拷贝到程序缓冲区，这时候程序才能获取到相应的数据，打开相应的文件

简单来说，无论什么 I/O 模型，其读取过程都会经历下面两个阶段：

• 将数据放到内核缓冲区（等待数据过程）
• 将内核缓冲区的数据拷贝（copy）到程序缓冲区（拷贝数据过程）

接下来我们来看一下五种 Linux I/O 模型，不然晚上就得睡沙发了捏

阻塞 I/O

阻塞 I/O 称为 Blocking I/O，简称 BIO

在阻塞 I/O 模型里面，当进程发起一个读取文件的请求时（recvfrom 系统调用），如果内核缓冲区没有缓存对应的数据，那么内核就会去读取磁盘，将对应数据放到内核缓冲区，当数据读取完毕后，返回给进程

这便是第一个阶段，在第一阶段中，进程是阻塞的，它干不了任何事，只能乖乖地等内核将数据读取到内核缓冲区

当进程收到内核的响应之后，把内核缓冲区中的数据 copy 一份到程序缓冲区，最后完成读取文件的操作

这便是第二阶段，在第二阶段中，进程也是堵塞的，它只能乖乖地将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区

总结：在阻塞 I/O 模型里面，从硬件到内核，从内核到程序空间，都是阻塞的

非阻塞 I/O

在非阻塞 I/O 模型中，当进程发起一个读取文件的请求时（recvfrom 系统调用），如果内核缓冲区没有缓存对应的数据，那么内核就会去读取磁盘，将对应数据放到内核缓冲区

但此时进程的请求不是堵塞的，内核在读取磁盘数据的时候会先返回一个错误信息给进程——数据暂时还没准备好，你待会再来试试

于是进程就会不断地向内核发起重试，一直问：数据准备好了没数据准备好了没

当内核读取数据完毕后，就会通知进程：数据已经准备好了，你可以来拿了

于是第一阶段就此结束，在第一阶段里面进程不会在这里干等，而是不断的轮询重试，但也是阻塞的

当进程收到内核的响应之后，把内核缓冲区中的数据 copy 一份到程序缓冲区，最后完成读取文件的操作

于是第二阶段就此结束，在第二阶段里面进程是堵塞的，它只能乖乖地将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区

总结：在非阻塞 I/O 模型里面，从硬件到内核，从内核到程序空间，都是阻塞的。但比阻塞 I/O 有进步了一点，并不是站在那里干等，而是时不时跑去问一下内核。即使是无用功，效率多少还是提高了一点的

I/O复用

之所以叫复用，是因为在这个模型中进程可以同时操作多个数据流，而不像前面所讲的阻塞 I/O、非阻塞 I/O 同一时间只能操作一个数据流

在 I/O 复用模型中，进程监听多个数据流，然后去不断的轮询，当其中一个数据流有数据之后，内核便会通知进程

UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）

于是第一阶段就此结束，在第一阶段里面进程会不断地对多个数据流进行轮询重试，但依旧是阻塞的

当收到内核的通知之后，进程就会将数据从内核缓冲区 copy 到 程序缓冲区，最后完成读取文件的操作

于是第二阶段就此结束，在第二阶段里面进程是堵塞的，它只能乖乖地将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区

I/O 多路复用中有 select、poll、epoll 函数，select 调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于——select 轮询可以监听多个数据流，当其中任何一个数据流的数据准备好了，就能返回成功

总结：

• I/O 复用模型的第二阶段与阻塞 I/O、非阻塞 I/O 的第二阶段是一致的，但是在第一阶段中，进程能够同时轮询多个数据流，监听多个数据流，其效率有巨大的提升
• I/O 多路复用是阻塞在select，epoll 这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的 I/O 系统调用如 recvfrom 之上
• I/O 多路复用在阻塞到 select 阶段时，用户进程是主动等待并调用 select 函数获取数据就绪状态消息，并且其进程状态为阻塞。所以，把IO多路复用归为同步阻塞模式

信号驱动 I/O

信号驱动 I/O 可以说是 I/O 模型上的一个里程碑

它与前面三个 I/O 模型的区别在于信号这个词

信号驱动 I/O 在第一阶段，即等待内核将数据从磁盘读取到内核缓冲区这个阶段，进程是不阻塞的，而是设置了一个信号回调，当数据到达内核缓冲区之后，内核调用程序的回调

在第一阶段里面进程是非阻塞的，它可以去干其他事情

当数据到达内核缓存区，进程收到内核的信号之后，进程再将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区，最后完成读取文件的操作

第二阶段就此结束，在第二阶段里面进程是堵塞的，它只能乖乖地将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区

总结：

• 虽然说信号驱动 I/O 模型的第二阶段跟前面三个 I/O 模型一样，即进程是阻塞的。但在第一阶段做到了真正的异步

• 信号驱动 IO 在第一阶段，进程去请求内核读取数据，这时候其不会阻塞，也不会去轮询，而是设置一个信号回调。 当数据完全拷贝到系统内核时，系统发出 SIGIO 信号，通知进程去进行第二阶段，将数据拷贝到程序缓冲区

异步 I/O

异步I/O 相比前面四个 I/O 模型，无论是第一阶段还是第二阶段都实现了非阻塞

与信号驱动 I/O 类似，异步 I/O 模型在第一阶段通过信号回调的方式实现了进程的非阻塞

即用户进程进行 aio_read 系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情

而在第二阶段，进程将数据从内核缓冲区 copy 到程序缓冲区的时候并非阻塞，而是同样设置一个信号回调，当 copy 完成后，进程收到通知，再去执行相应的操作

总结：异步 IO 不仅仅是在第一阶段实现了信号回调，其也在第二阶段实现了信号回调，两个过程都是非阻塞的，从而完全实现了异步 IO 操作

总结

我们根据这五种 I/O 模型在第一第二阶段的表现来总结一下：

• 阻塞 I/O
  • 第一阶段（硬件到系统内核），阻塞
  • 第二阶段（系统内核到程序空间），阻塞
• 非阻塞 I/O
  • 第一阶段（硬件到系统内核），轮询阻塞
  • 第二阶段（系统内核到程序空间），阻塞
• I/O 复用
  • 第一阶段（硬件到系统内核），多路轮询阻塞
  • 第二阶段（系统内核到程序空间），阻塞
• 信号驱动 I/O
  • 第一阶段（硬件到系统内核），信号驱动不阻塞
  • 第二阶段（系统内核到程序空间），阻塞
• 异步 I/O
  • 第一阶段（硬件到系统内核），信号驱动不阻塞
  • 第二阶段（系统内核到程序空间），信号驱动不阻塞

从上面的 5 种 I/O 模型，我们可以看出，真正实现异步非阻塞的只有异步 IO 这种模型，而其他四种都是同步 I/O

因为在第二阶段：从内核缓冲区复制到程序缓冲区的时候，不可能干其他事情

最后再来简单说说阻塞与非阻塞、同步与异步的区别

阻塞与非阻塞：

• 阻塞 I/O 会一直 block 对应的进程，直到 I/O 操作完成
• 非阻塞 I/O 在内核还在准备数据的情况下会立刻返回给进程

同步与异步：

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者区别就在于——同步 I/O 做 I/O 操作（I/O operation）时会将进程阻塞掉，按照这个定义，之前所述的阻塞I/O、非阻塞 I/O，I/O 多路复用都属于同步 I/O

可能这里有人会想：非阻塞 I/O 并没有被 block 啊，请注意上面说的定义，定义中所指的 I/O 操作是指真实的 I/O 操作，就是上面例子中的 recvfrom 这个系统调用

非阻塞 I/O 在第一阶段，也就是执行 recvfrom 这个系统调用的时候，如果内核数据还没有准备好，是不会 block 进程的，但是在第二阶段，如果内核的数据准备好并要 copy 到用户缓冲区中，这个时候进程就会被 block

而异步 I/O 则不一样，它实现了两个阶段都是非阻塞的，当进程发起 I/O 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到内核发送一个信号，告诉进程说 I/O 完成。在这整个过程中，进程完全没有被block