Linux下主要的IO主要分為：阻塞IO(Blocking IO)，非阻塞IO(Non-blocking IO)，同步IO(Sync IO)和異步IO(Async IO)。
同步：調(diào)用端會(huì)一直等待服務(wù)端響應(yīng)，直到返回結(jié)果。
異步：調(diào)用端發(fā)起調(diào)用之后不會(huì)立刻返回，不會(huì)等待服務(wù)端響應(yīng)。服務(wù)端通過(guò)通知機(jī)制或者回調(diào)函數(shù)來(lái)通知客戶端。
阻塞：服務(wù)端返回結(jié)果之前，客戶端線程會(huì)被掛起，此時(shí)線程不可被CPU調(diào)度，線程暫停運(yùn)行。
非阻塞：在服務(wù)端返回前，函數(shù)不會(huì)阻塞調(diào)用端線程，而會(huì)立刻返回。

同步異步的區(qū)別在于：服務(wù)端在拷貝數(shù)據(jù)時(shí)是否阻塞調(diào)用端線程；阻塞和非阻塞的區(qū)別在于：調(diào)用端線程在調(diào)用function后是否立刻返回。要理解這些I/O，需要先理解一些基本的概念。

用戶態(tài)和核心態(tài)

Linux系統(tǒng)中分為核心態(tài)(Kernel model)和用戶態(tài)(User model)，CPU會(huì)在兩個(gè)model之間切換。

1. 核心態(tài)代碼擁有完全的底層資源控制權(quán)限，可以執(zhí)行任何CPU指令，訪問(wèn)任何內(nèi)存地址，其占有的處理機(jī)是不允許被搶占的。內(nèi)核態(tài)的指令包括：?jiǎn)?dòng)I/O，內(nèi)存清零，修改程序狀態(tài)字，設(shè)置時(shí)鐘，允許/終止中斷和停機(jī)。內(nèi)核態(tài)的程序崩潰會(huì)導(dǎo)致PC停機(jī)。
2. 用戶態(tài)是用戶程序能夠使用的指令，不能直接訪問(wèn)底層硬件和內(nèi)存地址。用戶態(tài)運(yùn)行的程序必須委托系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)硬件和內(nèi)存。用戶態(tài)的指令包括：控制轉(zhuǎn)移，算數(shù)運(yùn)算，取數(shù)指令，訪管指令（使用戶程序從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)）。

用戶態(tài)和核心態(tài)的切換

用戶態(tài)切換到核心態(tài)有三種方式：
a.系統(tǒng)調(diào)用
這是用戶態(tài)進(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作，比如前例中fork()實(shí)際上就是執(zhí)行了一個(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開(kāi)放的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如Linux的int 80h中斷。
b.異常
當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時(shí)，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時(shí)會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)，比如缺頁(yè)異常。
c.外圍設(shè)備的中斷
當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤(pán)讀寫(xiě)操作完成，系統(tǒng)會(huì)切換到硬盤(pán)讀寫(xiě)的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。

進(jìn)程切換

為了控制進(jìn)程的執(zhí)行，內(nèi)核必須有能力掛起正在CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，并恢復(fù)以前掛起的某個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。這種行為被稱(chēng)為進(jìn)程切換。因此可以說(shuō)，任何進(jìn)程都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行的，是與內(nèi)核緊密相關(guān)的。從一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行轉(zhuǎn)到另一個(gè)進(jìn)程上運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程中經(jīng)過(guò)下面這些變化：

1. 保存處理機(jī)上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 把進(jìn)程的PCB移入相應(yīng)的隊(duì)列，如就緒、在某事件阻塞等隊(duì)列。
4. 選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，并更新其PCB。
5. 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
6. 恢復(fù)處理機(jī)上下文。

進(jìn)程阻塞

正在執(zhí)行的進(jìn)程由于一些事情發(fā)生，如請(qǐng)求資源失敗、等待某種操作完成、新數(shù)據(jù)尚未達(dá)到或者沒(méi)有新工作做等，由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語(yǔ)，使進(jìn)程狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。因此，進(jìn)程阻塞是進(jìn)程自身的一種主動(dòng)行為，只有處于運(yùn)行中的進(jìn)程才可以將自身轉(zhuǎn)化為阻塞狀態(tài)。<font color="#FF0000">當(dāng)進(jìn)程被阻塞，它是不占用CPU資源的。</font>

文件描述符(fd, File Descriptor)

FD用于描述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。實(shí)際上，它是一個(gè)索引值，指向內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程所維護(hù)的該進(jìn)程打開(kāi)文件的記錄表。當(dāng)程序打開(kāi)一個(gè)現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符。在程序設(shè)計(jì)中，一些涉及底層的程序編寫(xiě)往往會(huì)圍繞著文件描述符展開(kāi)。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux這樣的操作系統(tǒng)。

緩存I/O

緩存IO又被稱(chēng)作標(biāo)準(zhǔn)IO，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn)IO 操作都是緩存IO。在Linux的緩存IO 機(jī)制中，操作系統(tǒng)會(huì)將 IO 的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁(yè)緩存（ page cache ）中，也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。

緩存IO的缺點(diǎn)：

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中需要在應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核進(jìn)行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來(lái)的 CPU 以及內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)是非常大的。

Linux下的五種I/O模型

Linux下主要有以下五種I/O模型：

1. 阻塞I/O（blocking IO）
2. 非阻塞I/O (nonblocking I/O)
3. I/O 復(fù)用 (I/O multiplexing)
4. 信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O (signal driven I/O (SIGIO))
5. 異步I/O (asynchronous I/O)

阻塞IO模型

進(jìn)程會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成
應(yīng)用程序調(diào)用一個(gè)IO函數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用程序阻塞，等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，從內(nèi)核拷貝到用戶空間，IO函數(shù)返回成功指示。阻塞IO模型圖如下所示：

blocking-io

非阻塞IO模型

通過(guò)進(jìn)程反復(fù)調(diào)用IO函數(shù)，在數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程中，進(jìn)程是阻塞的。模型圖

non-blocking-io

IO復(fù)用模型

主要是select和epoll。一個(gè)線程可以對(duì)多個(gè)IO端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)socket有讀寫(xiě)事件時(shí)分發(fā)到具體的線程進(jìn)行處理。模型如下所示：

io-multiplexing

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型

信號(hào)驅(qū)動(dòng)式I/O：首先我們?cè)试SSocket進(jìn)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO,并安裝一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，進(jìn)程會(huì)收到一個(gè)SIGIO信號(hào)，可以在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用I/O操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。過(guò)程如下圖所示：

sigio

異步IO模型

相對(duì)于同步IO，異步IO不是順序執(zhí)行。用戶進(jìn)程進(jìn)行aio_read系統(tǒng)調(diào)用之后，無(wú)論內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，都會(huì)直接返回給用戶進(jìn)程，然后用戶態(tài)進(jìn)程可以去做別的事情。等到socket數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，內(nèi)核直接復(fù)制數(shù)據(jù)給進(jìn)程，然后從內(nèi)核向進(jìn)程發(fā)送通知。IO兩個(gè)階段，進(jìn)程都是非阻塞的。異步過(guò)程如下圖所示：

aio

五種IO模型比較

阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別
調(diào)用阻塞IO后進(jìn)程會(huì)一直等待對(duì)應(yīng)的進(jìn)程完成，而非阻塞IO不會(huì)等待對(duì)應(yīng)的進(jìn)程完成，在kernel還在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況下直接返回。
同步IO和異步IO的區(qū)別
首先看一下POSIX中對(duì)這兩個(gè)IO的定義：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

<font color="#FF0000">兩者的區(qū)別就在于synchronous IO做”IO operation”的時(shí)候會(huì)將process阻塞。</font>按照這個(gè)定義，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都屬于synchronous IO。注意到non-blocking IO會(huì)一直輪詢(xún)(polling)，這個(gè)過(guò)程是沒(méi)有阻塞的，但是recvfrom階段blocking IO,non-blocking IO和IO multiplexing都是阻塞的。
而asynchronous IO則不一樣，當(dāng)進(jìn)程發(fā)起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發(fā)送一個(gè)信號(hào)，告訴進(jìn)程說(shuō)IO完成。在這整個(gè)過(guò)程中，進(jìn)程完全沒(méi)有被block。

io-diff

IO復(fù)用之select、poll、epoll簡(jiǎn)介

epoll是linux所特有，而select是POSIX所規(guī)定，一般操作系統(tǒng)均有實(shí)現(xiàn)。

select

select本質(zhì)是通過(guò)設(shè)置或檢查存放fd標(biāo)志位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行下一步處理。缺點(diǎn)是：

1. 單個(gè)進(jìn)程可監(jiān)視的fd數(shù)量被限制，即能監(jiān)聽(tīng)端口的大小有限。一般來(lái)說(shuō)和系統(tǒng)內(nèi)存有關(guān)，具體數(shù)目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位默認(rèn)是1024個(gè)，64位默認(rèn)為2048個(gè)
2. 對(duì)socket進(jìn)行掃描時(shí)是線性掃描，即采用輪詢(xún)方法，效率低。當(dāng)套接字比較多的時(shí)候，每次select()都要遍歷FD_SETSIZE個(gè)socket來(lái)完成調(diào)度，不管socket是否活躍都遍歷一遍。會(huì)浪費(fèi)很多CPU時(shí)間。如果能給套接字注冊(cè)某個(gè)回調(diào)函數(shù)，當(dāng)他們活躍時(shí)，自動(dòng)完成相關(guān)操作，就避免了輪詢(xún)，這正是epoll與kqueue做的
3. 需要維護(hù)一個(gè)用來(lái)存放大量fd的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，會(huì)使得用戶空間和內(nèi)核空間在傳遞該結(jié)構(gòu)時(shí)復(fù)制開(kāi)銷(xiāo)大

poll

poll本質(zhì)和select相同，將用戶傳入的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢(xún)每個(gè)fd對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，如果設(shè)備就緒則在設(shè)備等待隊(duì)列中加入一項(xiàng)并繼續(xù)遍歷，如果遍歷所有fd后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)就緒設(shè)備，則掛起當(dāng)前進(jìn)程，直到設(shè)備就緒或主動(dòng)超時(shí)，被喚醒后又要再次遍歷fd。它沒(méi)有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來(lái)存儲(chǔ)的，但缺點(diǎn)是：

1. 大量的fd的數(shù)組被整體復(fù)制到用戶態(tài)和內(nèi)核空間之間，不管有無(wú)意義。
2. poll還有一個(gè)特點(diǎn)“水平觸發(fā)”，如果報(bào)告了fd后，沒(méi)有被處理，那么下次poll時(shí)再次報(bào)告該ffd。

epoll

epoll支持水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)，最大特點(diǎn)在于邊緣觸發(fā)，只告訴哪些fd剛剛變?yōu)榫途w態(tài)，并且只通知一次。還有一特點(diǎn)是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過(guò)epoll_ctl注冊(cè)fd，一量該fd就緒，內(nèi)核就會(huì)采用類(lèi)似callback的回調(diào)機(jī)制來(lái)激活該fd，epoll_wait便可以收到通知。epoll的優(yōu)點(diǎn)：

1. 沒(méi)有最大并發(fā)連接的限制。
2. 效率提升，只有活躍可用的FD才會(huì)調(diào)用callback函數(shù)。
3. 內(nèi)存拷貝，利用mmap()文件映射內(nèi)存加速與內(nèi)核空間的消息傳遞。

select、poll、epoll區(qū)別總結(jié)：

參考資料：

《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》