文章轉載自微信公眾號：漫話程式設計

1 什麼是I/O

程式是由資料+指令構成的，執行程式的過程可以分成下面這幾步：

1.將程式碼載入到記憶體中，逐條執行記憶體中的程式碼
2.在執行程式碼的過程中，可能需要對檔案的讀寫，即將檔案輸入（Input）到記憶體和將程式碼執行結果產生的檔案輸出（Output）到外設（網路、磁碟）的過程。那麼這個資料交換的過程就是I/O
…

IO中的阻塞、非阻塞、同步、非同步概念分析
通過上面這篇文章你可以知道同步、非同步、阻塞、非阻塞這些概念，並且可以瞭解到java中I/O程式設計的三種模型，阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和非同步IO(AIO)。Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的。

我們常說的IO，指的是檔案的輸入和輸出，但是在作業系統層面是如何定義IO的呢？到底什麼樣的過程可以叫做是一次IO呢？

拿一次磁碟檔案讀取為例，我們要讀取的檔案是儲存在磁碟上的，我們的目的是把它讀取到記憶體中。可以把這個步驟簡化成把資料從硬體（硬碟）中讀取到使用者空間中。

其實真正的檔案讀取還涉及到快取等細節，這裡就不展開講述了。關於使用者空間、核心空間以及硬體等的關係如果讀者不理解的話，可以通過釣魚的例子理解。

釣魚的時候，剛開始魚是在魚塘裡面的，我們的釣魚動作的最終結束標誌是魚從魚塘中被我們釣上來，放入魚簍中。

這裡面的魚塘就可以對映成磁碟，中間過渡的魚鉤可以對映成核心空間，最終放魚的魚簍可以對映成使用者空間。一次完整的釣魚（IO）操作，是魚（檔案）從魚塘（硬碟）中轉移（拷貝）到魚簍（使用者空間）的過程

在Linux(UNIX)作業系統中，共有五種IO模型，分別是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型、訊號驅動IO模型以及非同步IO模型。

2 同步IO模型

2.1 阻塞IO模型

我們釣魚的時候，有一種方式比較愜意，比較輕鬆，那就是我們坐在魚竿面前，這個過程中我們什麼也不做，雙手一直把著魚竿，就靜靜的等著魚兒咬鉤。一旦手上感受到魚的力道，就把魚釣起來放入魚簍中。然後再釣下一條魚。

對映到Linux作業系統中，這就是一種最簡單的IO模型，即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最簡單的 I/O 模型，一般表現為程序或執行緒等待某個條件，如果條件不滿足，則一直等下去。條件滿足，則進行下一步操作。

應用程序通過系統呼叫 recvfrom 接收資料，但由於核心還未準備好資料報，應用程序就會阻塞住，直到核心準備好資料報，recvfrom 完成資料報復制工作，應用程序才能結束阻塞狀態。

這種釣魚方式相對來說比較簡單，對於釣魚的人來說，不需要什麼特製的魚竿，拿一根夠長的木棍就可以悠閒的開始釣魚了（實現簡單）。缺點就是比較耗費時間，比較適合那種對魚的需求量小的情況（併發低，時效性要求低）。

2.2 非阻塞IO模型

我們釣魚的時候，在等待魚兒咬鉤的過程中，我們可以做點別的事情，比如玩一把王者榮耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我們要時不時的去看一下魚竿，一旦發現有魚兒上鉤了，就把魚釣上來。

對映到Linux作業系統中，這就是非阻塞的IO模型。應用程序與核心互動，目的未達到之前，不再一味的等著，而是直接返回。然後通過輪詢的方式，不停的去問核心資料準備有沒有準備好。如果某一次輪詢發現數據已經準備好了，那就把資料拷貝到使用者空間中。

應用程序通過 recvfrom 呼叫不停的去和核心互動，直到核心準備好資料。如果沒有準備好，核心會返回error，應用程序在得到error後，過一段時間再發送recvfrom請求。在兩次傳送請求的時間段，程序可以先做別的事情。

這種方式釣魚，和阻塞IO比，所使用的工具沒有什麼變化，但是釣魚的時候可以做些其他事情，增加時間的利用率。

2.3 訊號驅動IO模型

我們釣魚的時候，為了避免自己一遍一遍的去檢視魚竿，我們可以給魚竿安裝一個報警器。當有魚兒咬鉤的時候立刻報警。然後我們再收到報警後，去把魚釣起來。

對映到Linux作業系統中，這就是訊號驅動IO。應用程序在讀取檔案時通知核心，如果某個 socket 的某個事件發生時，請向我發一個訊號。在收到訊號後，訊號對應的處理函式會進行後續處理。

應用程序預先向核心註冊一個訊號處理函式，然後使用者程序返回，並且不阻塞，當核心資料準備就緒時會發送一個訊號給程序，使用者程序便在訊號處理函式中開始把資料拷貝的使用者空間中。

這種方式釣魚，和前幾種相比，所使用的工具有了一些變化，需要有一些定製（實現複雜）。但是釣魚的人就可以在魚兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等著報警器響就行了。

2.4 IO複用模型

生產中經常會用到的一種模型
我們釣魚的時候，為了保證可以最短的時間釣到最多的魚，我們同一時間擺放多個魚竿，同時釣魚。然後哪個魚竿有魚兒咬鉤了，我們就把哪個魚竿上面的魚釣起來。

對映到Linux作業系統中，這就是IO複用模型。多個程序的IO可以註冊到同一個管道上，這個管道會統一和核心進行互動。當管道中的某一個請求需要的資料準備好之後，程序再把對應的資料拷貝到使用者空間中。

IO多路轉接是多了一個select函式，多個程序的IO可以註冊到同一個select上，當用戶程序呼叫該select，select會監聽所有註冊好的IO，如果所有被監聽的IO需要的資料都沒有準備好時，select呼叫程序會阻塞。當任意一個IO所需的資料準備好之後，select呼叫就會返回，然後程序在通過recvfrom來進行資料拷貝。

這裡的IO複用模型，並沒有向核心註冊訊號處理函式，所以，他並不是非阻塞的。程序在發出select後，要等到select監聽的所有IO操作中至少有一個需要的資料準備好，才會有返回，並且也需要再次傳送請求去進行檔案的拷貝。

這種方式的釣魚，通過增加魚竿的方式，可以有效的提升效率。

2.5 小結

我們說阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型和訊號驅動IO模型都是同步的IO模型。原因是因為，無論以上那種模型，真正的資料拷貝過程，都是同步進行的。

訊號驅動難道不是非同步的麼？ 訊號驅動，核心是在資料準備好之後通知程序，然後程序再通過recvfrom操作進行資料拷貝。我們可以認為資料準備階段是非同步的，但是，資料拷貝操作是同步的。所以，整個IO過程也不能認為是非同步的。

我們把釣魚過程，可以拆分為兩個步驟：1、魚咬鉤（資料準備）。2、把魚釣起來放進魚簍裡（資料拷貝）。無論以上提到的哪種釣魚方式，在第二步，都是需要人主動去做的，並不是魚竿自己完成的。所以，這個釣魚過程其實還是同步進行的。

3 非同步IO模型

我們釣魚的時候，採用一種高科技釣魚竿，即全自動釣魚竿。可以自動感應魚上鉤，自動收竿，更厲害的可以自動把魚放進魚簍裡。然後，通知我們魚已經釣到了，他就繼續去釣下一條魚去了。

對映到Linux作業系統中，這就是非同步IO模型。應用程序把IO請求傳給核心後，完全由核心去操作檔案拷貝。核心完成相關操作後，會發訊號告訴應用程序本次IO已經完成。

使用者程序發起aio_read操作之後，給核心傳遞描述符、緩衝區指標、緩衝區大小等，告訴核心當整個操作完成時，如何通知程序，然後就立刻去做其他事情了。當核心收到aio_read後，會立刻返回，然後核心開始等待資料準備，資料準備好以後，直接把資料拷貝到使用者控制元件，然後再通知程序本次IO已經完成。

這種方式的釣魚，無疑是最省事兒的。啥都不需要管，只需要交給魚竿就可以了。

4 五種IO模型對比