什麼是 I/O

I/O 是 Input/Output 的簡寫，即輸入/輸出，是計算機與外部裝置（鍵盤、滑鼠、磁碟等）通訊的統稱，與具體實現無關。

與外部裝置的通訊其實就是對外部裝置進行讀取或寫入資料的過程，比如對檔案的讀寫操作可以稱為檔案 I/O、對套接字的讀寫操作稱為網路 I/O。

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同步 I/O 和非同步 I/O

同步和非同步是相對於獲取資料的過程而言的。

• 同步 I/O：包含阻塞 I/O、非阻塞 I/O、I/O 多路複用、訊號驅動式I/O 四種 I/O 模型，它們的共同點就是在執行 I/O 操作時會阻塞程序，直到 I/O 操作完成。
• 非同步 I/O：執行 I/O 操作時不會阻塞程序。

在使用者程序中執行 read 系統呼叫時，核心將資料從核心空間拷貝使用者程序空間。如果沒有讀到資料，那麼程序會一直處於阻塞狀態，當讀取到資料時才會恢復程序，繼續執行後面的邏輯，所以我們稱這個操作是同步的。

非同步只需要執行 aio_read 系統呼叫告訴核心從哪兒讀取資料就可以了，程序不用等待立即返回，核心會非同步地將資料從核心空間拷貝到使用者程序空間。

阻塞 I/O 模型

套接字在建立時預設就是阻塞的。

使用者程序執行 read 系統呼叫，如果資料沒有準備好，那麼程序將會被掛起，直到資料準備好之後核心將資料拷貝給使用者程序。

舉一個燒開水的例子，水壺是套接字，水壺裡的水是資料，水未燒開說明資料沒有準備好。

現在有 A、B、C 三個水壺，程序查詢 A 的狀態，發現水還沒有燒開就一直等著水燒開，哪怕 B、C 的水燒開了也不管，直到 A 的水燒開了才會去處理下一個水壺。

缺點：每次只能對一個套接字進行操作，就算其它套接字資料準備好了也沒辦法立即處理。

非阻塞 I/O 模型

在 PHP 中可以呼叫 socket_set_nonblock 函式將套接字設定為非阻塞的。

非阻塞 I/O 在資料未準備好的情況下，執行 read 系統呼叫將會立即返回，應用程式可以使用迴圈不停地輪訓核心，直到資料準備好，核心將資料從拷貝到應用程式中。

虛擬碼：

while (true) {
    rbytes = read(fd);
    if (rbytes < 0 && errno == EWOULDBLOCK) {
        continue;
    }
    // 處理資料
}

用燒開水的例子來解釋就是，程序不斷地輪詢每個水壺的狀態，當某個水壺的水燒開了之後就執行下一步操作。

缺點：需要不停地輪詢核心，浪費系統資源。

I/O 多路複用模型

多路複用就是多個網路請求複用同一個程序，讓單程序的應用程式擁有了同時處理多個套接字的能力，避免不停地輪詢核心，造成資源浪費。

將需要監聽的套接字交給核心，然後程序被掛起陷入休眠狀態，當套接字資料準備好時，核心將對應的套接字及事件返回給程序並喚醒程序，程序就可以執行 read 系統呼叫讀取資料，這個時候資料肯定是準備好的。

目前常見的有三種多路複用機制，分別是 select、poll、epoll。

從上表可以看出 epoll 效能最好，所以當程式執行在 Linux 系統上應該使用 epoll，如果是 Windows 可以使用 select，這樣我們就可以實現跨平臺的多路複用應用程式。

燒開水的例子：將 A、B、C 三個水壺交給核心，當有水燒開時核心就通知程序哪個水壺燒開了。

I/O 多路複用中的套接字必須設定為非阻塞的。

訊號驅動式 I/O 模型

呼叫 sigaction 安裝 SIGIO 訊號處理器，為套接字設定宿主程序，當套接字的資料準備好時，作業系統會觸發 SIGIO I/O 就緒訊號，就會執行安裝的訊號處理器，在訊號處理器中執行 I/O 操作。

程序會安裝 SIGIO 訊號的處理函式，讓核心有資料準備好時就觸發 SIGIO 訊號，並執行該訊號對應的處理函式。

用水壺的例子來解釋就是給每個水壺都安裝了一個蜂鳴器，當水燒開時就開始響，程序就知道哪個水壺燒開了。

非同步 I/O 模型

前面這四種 I/O 模型都是同步 I/O，不管是程序是如何知道資料是否準備好的，最終執行 read 系統呼叫從核心拷貝資料到使用者程序的過程是同步的，而非同步 I/O 的區別就在於這裡。

非同步 I/O 的讀寫操作都是立即返回的，讀寫操作由核心非同步地執行，資料拷貝的過程不會阻塞使用者程序。

相當於告訴核心，水燒開了就倒在這個杯子裡，我想喝水了就自己去喝。

總結

同步 I/O 和非同步 I/O 的區別：核心將資料從核心空間拷貝到使用者程序空間時，是否會阻塞使用者程序。
阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的區別：資料沒有準備好的時候是否會阻塞使用者程序。