參考 Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking”。

Stevens一共提出了五種 IO Model：

• blocking IO
• nonblocking IO
• IO multiplexing (select and poll)
• signal driven IO (SIGIO)
• asynchronous IO (the POSIX aio_functions)

先說一下IO發(fā)生時所涉及的對象和步驟。

一個輸入操作通常包括下面兩個階段：

1. 等待數(shù)據(jù)準備好 (Waiting for the data to be ready)。對于一個套接口上的輸入操作，通常涉及等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡到達，到達后它被拷貝到內(nèi)核的某個緩沖區(qū)。
2. 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到進程緩沖區(qū)中 (Copying the data from the kernel to the process)

記住這兩個階段很重要，因為以下要討論的五種IO Model的區(qū)別就是在兩個階段上各有不同的情況。

Blocking I/O Model(阻塞I/O)

默認情況下所有的套接口都是blocking。

進程調(diào)用recvfrom，其系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)報到達(第一階段)且被拷貝到應用進程的緩沖區(qū)中(第二階段)或者發(fā)生錯誤(最常見的錯誤是系統(tǒng)調(diào)用被信號中斷)才返回。進程在從調(diào)用recvfrom開始到它返回的整個過程是被阻塞的。 recvfrom成功返回后，應用進程開始處理數(shù)據(jù)報。

Nonblocking I/O Model(非阻塞I/O)

前三次調(diào)用recvfrom時數(shù)據(jù)還沒準備好，這是內(nèi)核立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤。第四次調(diào)用recvfrom時數(shù)據(jù)已準備好，它被拷貝到應用進程緩沖區(qū)，recvfrom接著成功返回，然后應用進程開始處理數(shù)據(jù)報。

這里最關鍵的一個操作就是輪詢(polling)。應用進程持續(xù)輪詢內(nèi)核，以查看數(shù)據(jù)是否就緒。這樣做往往會耗費大量的CPU時間，這種模型通常會在專門提供某種功能的系統(tǒng)才有。

I/O Multiplexing Model(I/O復用模型)

當用戶進程調(diào)用了select，那么整個進程會被block，而同時，kernel會“監(jiān)視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的數(shù)據(jù)準備好了，select就會返回套接字可讀這個條件，我們調(diào)用recvfrom把所讀數(shù)據(jù)報拷貝到應用程序進程緩沖區(qū)。

和blocking IO的圖比較，I/O復用并沒有顯示出什么優(yōu)勢。事實上，可能稍有劣勢。因為這里需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調(diào)用了一個system call。但是，用select的優(yōu)勢在于它可以同時處理多個connection。

Signal-Driven I/O Model(信號驅(qū)動I/O模型)

我們首先開啟套接口的信號驅(qū)動I/O功能，并通過sigaction系統(tǒng)調(diào)用安裝一個信號處理函數(shù)。該系統(tǒng)調(diào)用將立即返回，我們的進程這是并沒有被阻塞，而是繼續(xù)執(zhí)行。當數(shù)據(jù)報準備好讀取時，內(nèi)核就為該進程產(chǎn)生一個SIGIO信號。我們隨后既可以在信號處理函數(shù)中調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)報，并通知主循環(huán)數(shù)據(jù)已準備好待處理，也可以立即通知主循環(huán)，讓它來讀取數(shù)據(jù)報。無論如何處理SIGIO信號，這種模型的優(yōu)勢在于等待數(shù)據(jù)報到達(第一階段)期間，進程可以繼續(xù)執(zhí)行，不被阻塞。

Asynchronous I/O Model(異步I/O模型)

進程發(fā)起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產(chǎn)生任何block。然后，kernel會等待數(shù)據(jù)準備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當這一切都完成之后，kernel會給用戶進程發(fā)送一個signal，告訴它read操作完成了。

這個模型工作機制是：告訴內(nèi)核啟動某個操作，并讓內(nèi)核在整個操作(包括第二階段，即將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程緩沖區(qū)中)完成后通知我們。

這種模型和前一種模型區(qū)別在于：信號驅(qū)動I/O是由內(nèi)核通知我們何時可以啟動一個I/O操作，而異步I/O模型是由內(nèi)核通知我們I/O操作何時完成。

五種I/O模型介紹完了，下面來說說blocking和non-blocking的區(qū)別在哪，synchronous IO和asynchronous IO的區(qū)別在哪。

blocking I/Ovs non-blocking I/O ：調(diào)用blocking IO會一直block住對應的進程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準備數(shù)據(jù)的情況下會立刻返回。

synchronous I/O vs asynchronous I/O：

先看看這兩個定義：

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;

兩者的區(qū)別就在于synchronous IO做”IO operation”的時候會將process阻塞。按照這個定義，之前所述前四種模型blocking I/O，non-blocking I/O，IO multiplexing,signal driven IO都屬于synchronous IO。有人可能會說，non-blocking IO并沒有被block啊。這里有個非常“狡猾”的地方，定義中所指的”IO operation”是指真實的IO操作，就是例子中的recvfrom這個system call。non-blocking IO在執(zhí)行recvfrom這個system call的時候，如果kernel的數(shù)據(jù)沒有準備好，這時候不會block進程。但是，當kernel中數(shù)據(jù)準備好的時候，recvfrom會將數(shù)據(jù)從 kernel拷貝到用戶內(nèi)存中，這個時候(第二階段)進程是被block了，在這段時間內(nèi)，進程是被block的。而asynchronous IO則不一樣，當進程發(fā)起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發(fā)送一個信號，告訴進程說IO完成。在這整個過程中，進程完全沒有被block。

各個IO Model的比較如圖所示：

前4種模型的主要區(qū)別在于第一階段，因為它們的第二階段都是一樣的：在數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到進程緩沖區(qū)期間，進程阻塞與recvfrom這個系統(tǒng)調(diào)用中。