Linux的IO模型

IO执行的两个阶段

在Linux中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到程序的程序缓冲区。通常包括两个阶段： (1)等待数据准备好，到达内核缓冲区；
(2)从内核向进程复制数据。

五种IO模型

阻塞式I/O
非阻塞式I/O
I/O复用（select，poll，epoll等）
信号驱动式I/O（SIGIO）
异步I/O（POSIX的aio_系列函数）

阻塞式I/O模型

在IO执行的两个阶段中，进程都处于blocked(阻塞)状态，在等待数据返回的过程中不能做其他的工作，只能阻塞的等在那里.

• 优缺点：

优点是简单，实时性高，响应及时无延时，但缺点也很明显，需要阻塞等待，性能差；

非阻塞式I/O

在非阻塞状态下，IO执行的等待阶段并不是完全的阻塞的，但是第二个阶段依然处于一个阻塞状态。
同步非阻塞方式相比同步阻塞方式：

• 优点

能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。

• 缺点

任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

I/O多路复用（select，poll，epol）

单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是不再由应用程序自己监视连接，取而代之由内核替应用程序监视文件描述符。
IO复用的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。

IO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

• 优势

与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降底了系统的维护工作量，节省了系统资源。

• 主要应用场景：

服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字；
服务器需要同时处理多种网络协议的套接字，如同时处理TCP和UDP请求；
服务器需要监听多个端口或处理多种服务；
服务器需要同时处理用户输入和网络连接。

信号驱动式I/O

允许Socket进行信号驱动IO,并注册一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个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.阻塞在IO操作的第二阶段

异步I/O模型

上述四种IO模型都是同步的。相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，就可以去处理其他的逻辑了，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，不会对进程造成阻塞。等到数据准备好了，内核直接复制数据到进程空间，然后从内核向进程发送通知，此时数据已经在用户空间了,可以对数据进行处理了.
在 Linux 中，通知的方式是 “信号”，分为三种情况：
　　①、如果这个进程正在用户态处理其他逻辑，那就强行打断，调用事先注册的信号处理函数，这个函数可以决定何时以及如何处理这个异步任务。由于信号处理函数是突然闯进来的，因此跟中断处理程序一样，有很多事情是不能做的，因此保险起见，一般是把事件 “登记” 一下放进队列，然后返回该进程原来在做的事。
　　②、如果这个进程正在内核态处理，例如以同步阻塞方式读写磁盘，那就把这个通知挂起来了，等到内核态的事情忙完了，快要回到用户态的时候，再触发信号通知。
　　③、如果这个进程现在被挂起了，例如陷入睡眠，那就把这个进程唤醒，等待CPU调度，触发信号通知。