面試的時候也許你被問到過IO模型，可能你知道有五種，可是卻不一定能準(zhǔn)確指出他們之間的關(guān)系，下面我們介紹下這五種IO模型

五種IO模型

阻塞IO

非阻塞IO

IO復(fù)用（select和poll）

信號驅(qū)動

異步IO（Posix.1 的 aio...系列函數(shù)）

備注

一個輸入操作一般分為兩個階段：

等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程

一個套接字的輸入操作，第一步是等待數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)分組到達(dá)時，它被拷貝到內(nèi)核中的某個緩沖區(qū)，第二步是將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)

那我們來分別看下這五種IO模型

阻塞IO模型

阻塞IO是最通用的IO模型，使用該模型接收數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)沒有到之前程序會一直等待。例如函數(shù)recvfrom，內(nèi)核會一直阻塞該請求直到有數(shù)據(jù)到才返回，如下圖所示：

如上圖所示，進(jìn)程在調(diào)用recvfrom時，該系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)到達(dá)且拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)或出錯才返回。那阻塞的時間就是從調(diào)用recvfrom開始到返回的這段時間，當(dāng)進(jìn)程返回成功指示時，應(yīng)用進(jìn)程開始處理數(shù)據(jù)報。

非阻塞IO模型

當(dāng)把套接字設(shè)置成非阻塞方式時，即通知內(nèi)核：當(dāng)請求的IO操作非得讓進(jìn)程睡眠不能完成時，不要讓進(jìn)程睡眠，而應(yīng)返回一個錯誤，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)返回成功指示，進(jìn)程調(diào)用結(jié)束。如下圖所示：

從圖中我們可以看出，進(jìn)程會反復(fù)調(diào)用recvfrom，前三次調(diào)用一直沒有數(shù)據(jù)返回，因此立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤，在第四次調(diào)用的時候，數(shù)據(jù)才準(zhǔn)備好，并拷貝到了應(yīng)用緩沖區(qū)，recvfrom返回成功指示，然后就時進(jìn)程處理數(shù)據(jù)

當(dāng)一個應(yīng)用進(jìn)程像這樣對一個非阻塞描述字循環(huán)調(diào)用recvfrom時，我們稱之為輪訓(xùn)。應(yīng)用進(jìn)程連續(xù)不斷的查詢內(nèi)核，驗證某操作是否準(zhǔn)備好，這樣會極大的浪費(fèi)CPU的時間

IO復(fù)用模型

IO復(fù)用模型支持調(diào)用select或poll，會阻塞在select或poll上，而不是阻塞于真正的IO系統(tǒng)調(diào)用。阻塞在select調(diào)用，等待數(shù)據(jù)報套接口可讀。當(dāng)select返回套接口可讀條件時，再調(diào)用recvfrom將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)。如下入所示：

通過阻塞IO模型和IO復(fù)用模型的對比，我們發(fā)現(xiàn)由之前的一次系統(tǒng)調(diào)用變成了兩次系統(tǒng)調(diào)用，好像變差了，其實并沒有，select可以等待多個描述字準(zhǔn)備好，同時select可以設(shè)置超時時間。

信號驅(qū)動IO模型

信號驅(qū)動IO是讓內(nèi)核在描述字準(zhǔn)備好時用信號SIGIO通知我們。首先允許套接口進(jìn)行信號驅(qū)動IO，然后通過系統(tǒng)調(diào)用sigacation安裝信號處理程序。此系統(tǒng)調(diào)用立即返回，進(jìn)程繼續(xù)工作，是非阻塞的。當(dāng)數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好被讀時，為該進(jìn)程生成一個SIGIO信號，隨后在信號處理程序中調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)報，并通知主循環(huán)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好被處理或者通知主循環(huán)讓它來讀取數(shù)據(jù)報，如下圖所示：

異步IO模型

異步IO讓內(nèi)核啟動操作，并在整個操作完成后（包括將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間）通知我們。如下圖所示：

異步IO模型和信號驅(qū)動IO模型的主要區(qū)別是：信號驅(qū)動IO是由內(nèi)核通知我們何時啟動IO操作，而異步IO是由內(nèi)核通知我們IO操作何時完成

五種IO模型的對比

通過上面對五種IO模型的介紹，我們發(fā)現(xiàn)前四種IO模型的主要區(qū)別點在于第一階段，第二階段基本相同：在數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到調(diào)用者的緩沖區(qū)時，進(jìn)程阻塞在recvfrom調(diào)用。異步IO模型的兩個階段是和前四種不同的，對比如下圖所示：

我們發(fā)現(xiàn)五種IO模型沒有提到同步IO模型，卻提到了異步IO模型，這是為什么？

首先我們看下Posix對同步IO和異步IO的定義：

同步IO操作引起請求進(jìn)程阻塞，直到IO操作完成

異步IO操作不引起請求進(jìn)程阻塞

我們可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)上面的定義，前四種模式：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO多路復(fù)用模型和信號驅(qū)動模型，其實都屬于同步IO模型，因為他們四個都會經(jīng)歷真正的IO操作（recvfrom）且阻塞了進(jìn)程，只有異步IO模型與異步IO的定義匹配