作業系統基本概念

首先來來說下作業系統，嗯，作業系統是計算機硬體的管理軟體，是對計算機硬體的抽象，作業系統將應用程式分為使用者態和核心態，例如驅動程式就位於核心態，而我們寫的一般程式都是使用者態，包括web伺服器這些，應用程式無法直接操控硬體，只能通過系統呼叫，通過作業系統驅動io硬體，通過作業系統管理程序。

接下來說下檔案的概念，在作業系統中，檔案是對i/o的一種抽象，檔案大體包括三類

普通的檔案：包括二進位制檔案和文字檔案

目錄：就是普通檔案的一組連結串列

套接字檔案:用來與另一個程序進行跨網路通訊的檔案

套接字檔案就是通常說的socket，還有值得注意的是無論開啟什麼檔案，核心都會返回給應用程式一個檔案描述符。當關閉檔案後，核心釋放資源，同時回收檔案描述符。

程序的記憶體模型

每個程序都有獨立的上下文，它擁有完整的虛擬記憶體空間。

CPU執行程序，總是在不斷對程序的切換中，這種叫時分複用，而且時間很快，從而讓人有一種程序並行的感覺，即單個cpu在一個時刻只能做一件事

I/O流程

說下應用程式讀檔案的大致流程（寫檔案也差不多），當一個程序想要向磁碟或者接受網路資料時，它會先發起系統呼叫（可以通過異常等方式），然後將程式控制權交給作業系統，

作業系統向指定的檔案發起讀的操作，返回給程式一個檔案操作符，然後接下來就是比較有意思的地方了，因為檔案讀出來是需要時間的，檔案讀出來後會存到核心的緩衝區中（DMA），然後中斷提醒CPU，CPU再由核心緩衝區讀取到使用者程序中，在這個過程中，這段時間裡，使用者程序可以有阻塞，非阻塞，同步，非同步各種狀態

linux的I/O模型

網路IO的本質是socket的讀取，socket在linux系統被抽象為流，IO可以理解為對流的操作。對於一次IO訪問（以read舉例），資料會先被拷貝到作業系統核心的緩衝區中，然後才會從作業系統核心的緩衝區拷貝到應用程式的地址空間。所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：

第一階段：等待資料準備 (Waiting for the data to be ready)。 第二階段：將資料從核心拷貝到程序中 (Copying the data from the kernel to the process)。

對於socket流而言，

第一步：通常涉及等待網路上的資料分組到達，然後被複制到核心的某個緩衝區。 第二步：把資料從核心緩衝區複製到應用程序緩衝區。

linux的五種網路i/o模型

同步的概念就是在資料複製到使用者程序的這段時間內，使用者程序是不幹活

非同步是在這段時間內，使用者程序會繼續執行它後續的工作

先在同步非同步的基礎上進行簡單的分類

同步模型（synchronous IO）

• 阻塞IO（bloking IO）
• 非阻塞IO（non-blocking IO）
• 多路複用IO（multiplexing IO）
• 訊號驅動式IO（signal-driven IO）

非同步IO（asynchronous IO）

接下來進行分類的介紹

阻塞I/O

阻塞i/o就是整個過程使用者程序都是阻塞，它發起系統呼叫後就被掛起了，直到資料被搬運到緩衝區中，然後資料從緩衝區讀進使用者程序，它才被喚醒，真個過程它都處於掛起狀態（什麼都不幹）

非阻塞i/o

使用者程序發起系統呼叫後，它沒有被掛起，而是繼續執行，但它要不斷輪詢看資料是否運到核心了，資料到了核心後，使用者程序將資料從核心讀取到使用者程序

多路複用I/O

多路複用I/O比較複雜，它整個過程也是阻塞的，但不同的是它可以阻塞多個i/o，同時阻塞多個socket連線，有epoll,，poll,select等，epoll是linux最高效的，多路複用的特點是通過一種機制一個程序能同時等待多個IO檔案描述符，核心監視這些檔案描述符（套接字描述符），其中的任意一個進入讀就緒狀態，select， poll，epoll函式就可以返回。

select,poll,epoll都是核心狀態的函式呼叫

使用者程序發起系統呼叫後，處於掛起狀態，同時監聽多個socket連線，只要有其中有一個數據到達核心，使用者程序就被喚醒工作，然後將資料從核心讀取到使用者程序，其實就是由epoll，select同時監聽多個io物件，當io物件發生變化的時候，就通知使用者程序讀寫資料，進行操作

即多個io物件複用一個程序，這樣可以很充分的利用阻塞的這段時間

IO多路複用是同步阻塞模式

非同步驅動I/O

這個理論上是最好的，但在linux系統中很難實現

訊號驅動i/o

這個很少使用到

非同步IO

非同步io在linux中很難實現，但也有一種模擬非同步io的方法即多執行緒和同步阻塞io進行模擬，設定一個主執行緒，用其它執行緒進行同步io操作，當io完成時通知主執行緒去讀取程序中的資料，進行後續操作，因為是同一個程序，所以可以共享記憶體資源。進而實現類似非同步io的效果，在linux中有libev,libeio這樣的非同步io實現庫，而在windows，則使用了iocp,可以說非同步io的核心就是在子執行緒上執行io操作，在執行完畢後通知呼叫者提取相關資料。只不過linux是使用者層的執行緒池，而iocp是核心的執行緒池。

Node模型

首先說下常見的模型要麼是單程序多執行緒，要麼是多程序單執行緒，node是屬於後者

node中最重的就是包含了libuv這個，node的所有io操作都是通過它來實現的，libuv實現了非同步IO，libuv中包含一個事件佇列（可以理解為就是主執行緒），如果是網路io，它會使用epoll這種io多路複用的方式(在linux中)對io進行處理，而對於磁碟的io操作，它會採用多執行緒+阻塞io的方式進行io操作，它讀寫完資料後就將資料返回給js引擎。從而實現io操作。

最後提一點epoll這種io多路複用模型使用的很廣，redis,nginx,都不同程度使用了它，它2者也可以歸為多程序單執行緒這種模型