Linux下的五种I/O通信模型

同步，异步，阻塞，非阻塞的概念

首先，需要明确的一个问题就是，通常程序是运行在用户态下，如果需要进行I/O操作，那么就会发出系统调用（System call），由用户态转变为内核态，由操作系统去完成I/O操作，实际上应用程序本身没有权利操作I/O。

• 同步和异步：都是针对应用程序和操作系统之间交互而言的。同步的话，如果上层应用程序不主动询问操作系统的话，操作系统不会主动通知应用程序。异步的话，操作系统主动通知应用程序。
• 阻塞：如果条件不满足的话，操作系统将应用线程挂起或者休眠，此时应用线程处于阻塞状态，只有当数据准备好之后或者数据已经从内核空间拷贝到用户空间，操作系统通知线程，此为唤醒线程。
• 非阻塞：如果条件不满足的话，该方法不会阻塞当前线程，而是立即返回一个标志信息（数据还没有准备好），或者timeout之后返回，此时应用线程还可以进行其他的操作。

要注意的问题：同步不等同于阻塞，同步调用的时候，即便调用不返回，但是应用线程还处于运行态，还可以做一些其它的事情。而阻塞调用时，应用线程处于阻塞的状态。

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阻塞I/O模型

应用程序调用I/O函数，应用线程会阻塞，直到数据准备好为止。如果数据没有准备好，则应用线程一直等待。

非阻塞I/O模型

非阻塞I/O通过应用线程反复调用I/O函数（多次调用，立即返回）；在数据拷贝阶段，线程还是阻塞的。
我们把socket套接字接口设置为非阻塞的时候，就是告诉操作系统，在没有数据的时候，不要把我挂起或者休眠，而是返回一个错误信号。

多路复用I/O模型

多路复用I/O模型是目前使用比较多的模型。Java nio实际上就是这种模型。所谓的多路复用，可以理解为在一个应用线程里可以处理多个socket连接，或者同一个端口接受来自多个客户端的请求（连接，读，写）

当然在java nio中对多路复用支持阻塞和非阻塞两种模式。

多路复用IO与传统的非阻塞IO的区别在于，在传统的非阻塞IO中，由用户线程去轮询socket的状态，而在多路复用IO中，由内核去轮询向select注册的socket的状态。所以多路复用IO需要操作系统的支持。

信号驱动I/O

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作的时候，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程继续执行，当内核数据准备就绪时，会给用户线程发送一个信号。用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作进行实际的IO请求操作。

异步I/O模型

异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。
异步IO模型中，由操作系统内核去等待数据就绪，copy数据到用户空间，用户线程始终没有阻塞。

注：linux中并不存在真正的异步IO，而是通过多路复用的方式去模拟异步IO。