Linux五種IO模型

理解這五種I/O模型之前，我們得先清楚一個IO事件發生，它會經歷哪些步驟：
對於一個網路IO（network IO） (這裡我們以read舉例)，它會涉及到兩個系統物件，一個是呼叫這個IO的process (or thread)，另一個就是系統核心(kernel)。當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：
1 等待資料準備 (Waiting for the data to be ready)
2 將資料從核心拷貝到程序中 (Copying the data from the kernel to the process)
記住這兩點很重要，因為這些IO Model的區別就是在兩個階段上各有不同的情況。
並且我們要知道，在Linux中，預設情況下所有的socket都是阻塞的。

1.阻塞IO（ blocking IO）

當kernel沒有資料可讀時，IO呼叫一直阻塞，直到kernel有資料時，將資料從kernel拷貝到使用者空間，在此期間，等待資料的過程和拷貝資料的過程IO都是一直阻塞的，完成資料拷貝之後，才會解除阻塞，IO呼叫才返回。
舉個例子：

當用戶程序呼叫了recvfrom這個系統呼叫，kernel就開始了IO的第一個階段：準備資料。對於network io來說，很多時候資料在一開始還沒有到達（比如，還沒有收到一個完整的UDP包），這個時候kernel就要等待足夠的資料到來。而在使用者程序這邊，整個程序會被阻塞。當kernel一直等到資料準備好了，它就會將資料從kernel中拷貝到使用者記憶體，然後kernel返回結果，使用者程序才解除block的狀態，重新執行起來。
所以，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了。

2.非阻塞IO

當kernel無資料可讀時，IO操作立即返回error，這時不會阻塞。並且一直輪詢，當有資料可讀時，將資料從kernel拷貝到使用者空間，返回成功(拷貝過程仍然阻塞)。但需要使用者程序輪詢核心，直到讀取到資料。

從圖中可以看出，當用戶程序發出read操作時，如果kernel中的資料還沒有準備好，那麼它並不會block使用者程序，而是立刻返回一個error。從使用者程序角度講 ，它發起一個read操作後，並不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。使用者程序判斷結果是一個error時，它就知道資料還沒有準備好，於是它可以再次傳送read操作。一旦kernel中的資料準備好了，並且又再次收到了使用者程序的system call，那麼它馬上就將資料拷貝到了使用者記憶體，然後返回。
所以，使用者程序其實是需要不斷的主動詢問kernel資料好了沒有。並且在這個過程中，只有在資料拷貝到時候會阻塞，其他時間都不是阻塞。

3.IO多路複用 （IO multiplexing）

IO多路複用機制（有些地方也稱這種IO方式為event driven IO）有多種方式，分為select、poll、和epoll三種。但poll已經不常用了。它的作用是監控多個檔案描述符，將多個IO阻塞複用到一個select或epoll的阻塞上。select/epoll的好處就在於單個process就可以同時處理多個網路連線的IO。它的基本原理就是select/epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者程序。它的流程如圖：

當用戶程序呼叫了select，那麼整個程序會被block，而同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的資料準備好了，select就會返回。這個時候使用者程序再呼叫read操作，將資料從kernel拷貝到使用者程序。
這個圖和blocking IO的圖其實並沒有太大的不同，事實上，還更差一些。因為這裡需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在於它可以同時處理多個connection。（所以，如果處理的連線數不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server效能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優勢並不是對於單個連線能處理得更快，而是在於能處理更多的連線。）
在IO 多路複用模型中，實際中，對於每一個socket，一般都設定成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個使用者的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函式block，而不是被socket IO給block。

4.同步IO（synchronous IO）

同步，可以理解為在執行完一個函式或呼叫後，一直等待系統的返回值或訊息，這時程序是處於阻塞的，只有接收到返回的值或訊息程序才往下執行。說白了，就是如果程序沒有完成功能，程序就會一直阻塞，直到完成這個功能。 對於上面select來說，使用者程序呼叫select這個系統呼叫後，如果當前沒有準備好的資料報（不具備條件完成功能）則一直阻塞等待，直到有準備好的資料報，這時核心將成功資訊返回給select後才返回（完成功能後返回），程序這時才會解除阻塞。

5.非同步IO（Asynchronous IO）

發出非同步IO後，IO操作立即返回，使用者程序這時就可以去做別的事情了，之後的一切工作都又核心來完成。當kernel有資料可讀時，核心自動將資料拷貝到使用者空間 (不阻塞使用者程序)，拷貝完成後向用戶程序傳送訊號。
linux下的asynchronous IO其實用得很少。先看一下它的流程：
舉例：

使用者程序發起read操作之後，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之後，首先它會立刻返回，所以不會對使用者程序產生任何block。然後，kernel會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到使用者記憶體，當這一切都完成之後，kernel會給使用者程序傳送一個signal，告訴它read操作完成了。

6.訊號驅動IO(signal driven IO)

提前設定或註冊IO相關訊號，核心在描述符就緒時傳送SIGIO訊號，當前程序收到訊號的時候，就意味著當前已經具備IO條件，接下來直接發起呼叫，拷貝資料 。在實際應用中並不常用，所以不過多介紹。

Q:阻塞IO(blocking)和非阻塞IO(non-blocking)的區別在哪？

呼叫blocking IO會一直block住對應的程序直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準備資料的情況下會立刻返回。

阻塞與非阻塞說的是發起呼叫後是否能夠立即返回—返回的時間不同

同步IO(synchronous)和非同步IO(asynchronous)的區別在哪?

同步非同步說的是發起呼叫後是否能夠立即完成功能—完成功能的時間不同

兩者的區別就在於同步 IO做”IO操作”的時候會將process阻塞。而非同步不會。按照這個定義，之前所述的阻塞 IO，非阻塞 IO，IO 多路複用都屬於同步 IO。

有人可能會說，非阻塞 IO並沒有被block啊。這裡有個非常“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在執行recvfrom這個system call的時候，如果kernel的資料沒有準備好，這時候不會block程序。但是，程序會一直輪詢，當kernel中資料準備好的時候，recvfrom會將資料從kernel拷貝到使用者記憶體中，在這段時間內，程序是被block的。也就是說，它會等到程序完成IO操作之後，才會徹底解除阻塞（這時就不需要再輪詢了）；而非同步IO則不一樣，當程序發起IO 操作之後，就直接返回再也不理睬了，之後的事情就不用使用者程序管了，而之後等待描述符就緒，和拷貝資料是直接讓核心操作，直到kernel傳送一個訊號，告訴程序說IO完成。而在這整個過程中，程序完全沒有被block。

Q:非阻塞IO(non-blocking)和非同步IO(asynchronous IO）的區別。

在非阻塞 IO中，雖然程序大部分時間都不會被block，但是它仍然要求程序去主動的輪詢（check），並且當資料準備完成以後，也需要程序主動的再次呼叫recvfrom來將資料拷貝到使用者記憶體。

而非同步IO則完全不同。它就像是使用者程序將整個IO操作交給了他人（kernel）完成，然後他人做完後發訊號通知。在此期間，使用者程序不需要去檢查IO操作的狀態，也不需要主動的去拷貝資料。

資料參考：https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378