網路IO模型有5種，分別為：阻塞式IO，非阻塞式IO，IO複用，訊號驅動式IO 和 非同步IO。

一.  作業系統如何處理IO

    Linux 會把所有的外部裝置都看成一個檔案來操作，對外部裝置的操作可以看成是對檔案的操作。我們對一個檔案的讀寫，都會通過核心提供的系統呼叫，核心會給我們返回一個 File Descriptor，這個描述符是一個數字，指向核心的一個結構體，我們應用程式對檔案的讀寫就是對描述符指向的結構體的讀寫。

    系統呼叫是如何完成IO操作？Linux 會把記憶體分為 核心區和使用者區。Linux 的核心區會幫我們管理所有的硬體資源，並且會提供系統呼叫，我們應用程式的讀操作，就會通過系統呼叫 read 發起一個讀操作，這個時候，核心就會建立一個檔案描述符，通過驅動向硬體傳送讀指令，並且把讀的資料放在描述符指向的結構體的緩衝區中

。當這個資料傳到使用者區的時候，就完成了一次 IO。

    Linux 系統呼叫的 read，是一個阻塞函式。這個我們應用程式在發起read系統呼叫的時候，就必須要阻塞，程序掛起，等待檔案描述符的讀就緒。

    從上面我們可以知道，應用程式的一個 read系統呼叫，需要經過：

1. 硬體讀取檔案資料到檔案描述符指向的結構體的緩衝區。
2. 結構體的緩衝區的資料 傳輸到 使用者區。
   

二. 阻塞式 IO

    在進行網路IO的時候，程序發起一個 recvform 系統呼叫，然後程序就會被阻塞，什麼也不幹，等待上述 所說的 1 和 2步驟完成（也就是硬體讀取內容到核心的結構體緩衝區，結構體緩衝區的內容到使用者區），最後程序再被處理。大致如下圖1：

圖1

二. 非阻塞式 IO

    在上述的 阻塞式 IO中，可以看到，程序在發起了 recvform 系統呼叫的時候，就會阻塞，那麼非阻塞式 IO 和 阻塞式 IO 的一個區別就在這裡，它並不會阻塞，而是馬上返回一個錯誤碼，程序在得到錯誤碼之後，可以乾點別的事情，然後再重複上述的步驟，也就是又發起一個 recvform 系統呼叫。這個過程就成為輪詢。

    需要注意的是，上述的輪詢只是針對作業系統處理IO的第一步，也就是 硬體讀取資料到核心的結構體緩衝區，不針對第二步，也就是說，核心的結構體緩衝區的資料複製到使用者區還是需要經過阻塞。如下圖2:

圖2

三. IO複用

    由上面的非阻塞式IO可以看出，輪詢佔了很大一部分過程，這個過程會消耗很多CPU時間。這個輪詢是由使用者區發起的，但是，這個輪詢如果是由核心區發起的，那麼效率就有提升。IO複用提供了兩個 系統呼叫 ：select 和 poll

。select 系統呼叫是核心級別的，它和 非阻塞式的輪詢 有一個區別，就是select 輪詢 可以等待多個 socket，任何一個socket 的資料準備好了，那麼就可以返回進行讀。 select 和 poll呼叫之後，會阻塞程序，那麼這種阻塞程序不同於 第一種 阻塞式IO的阻塞，此時的select不是等到socket資料全部到達後再處理，而是有一部分資料就會呼叫使用者程序處理。打個比方：釣魚的時候，僱傭一個幫手，他可以同事拋下多個魚竿，任何一杆的魚上鉤，他就會拉桿，他只負責幫我們，不負責幫我們處理，所有我們還得在一邊等著，等到他拉桿，我們再處理。 如下圖3:

圖3

Ps：實際上 select/poll 是落後的，因為 select 的控制代碼數有限，為1024 個，也就是說，同次檢測 1025 個控制代碼死 是不可能。另外，核心的select是採用輪詢的方法，select檢測的控制代碼數越大就會越耗時，這些都是問題。那麼epoll就能夠解決這些問題，epoll 實際上也是 slect/poll 的增強版。

四. 訊號驅動式IO

    也就是說，資料未準備就緒的時候，那麼就進行等待，但是這個等待不會進行輪詢，也不會阻塞。而是在某一時刻如果資料準備好了，那麼核心會通知程序啟動IO操作，將資料從核心區複製到使用者區。如下圖4 所示：

圖4

五. 非同步IO

    非同步 IO 是指 相當於 訊號式驅動 IO 的一個升級版本。非同步 IO 是等 核心完成整個操作之後再通過應用程式，這整個過程包括了 硬體讀取資料到 核心結構體的緩衝區中，以及緩衝區的資料複製到 使用者區中，這整個過程程序都不會阻塞。如下圖5:

圖5

總結：以上就是 作業系統如何處理IO，以及常用的 5種 網路 IO模型。包括（阻塞式IO（java的傳統IO），非阻塞式IO（NIO），多路複用IO，訊號驅動IO，非同步IO）。

參考：