操作系统IO机制

  身处不同的学习阶段时，总会对不同的知识有不同的理解，最近感慨其实计算机就是在计算和IO这两件事情上反复执行，最后完成一系列指令，虽然之前写过一篇NIO epoll的文章，但这里还是专门为操作系统的IO机制开辟一篇专栏，一起再来整理一下IO这一重要事件的机制。

同步与异步

  网上讲这块的内容很多，烂熟的烧开水例子相信大家都不陌生，总之，说同步和异步时，需要肯定的是这两个概念说明的是多个事物的状态，而不是单个事物的状态，多个事物串行，但每次只执行一个事物，这样的状态称为同步，至于其他事物一般来说都是在等待着的状态，可以联系的生活中的场景有排队买票等；异步与同步是相反的状态，异步是指，多个事物可以互不干扰的同时进行，比如地铁闸机口可以允许多人在多个通道同时通过一样。

阻塞与非阻塞

  这两个也是相反的状态，其实从字面意思已经看出十之八九，阻塞指的是线程在调用某方法的时候会被挂起，等到g方法返回结果时才会恢复运行；非阻塞指的是线程在调用某方法时立即返回一个信号，但这个信号不是方法的结果，它是一个仅仅表示调用方法的返回值，在等待方法执行的过程中，该线程还可以继续去干其他事情。
  综上所述，同步与异步关心的点在于能否同时进行，阻塞与非阻塞关心的点在于是否需要等待。

IO

  IO就是数据的读出和写入的过程及等待数据读出和写入的过程，注意哦，这里我们还是要强调一下，IO不仅包括数据读出写入的过程，还包括等待数据读出和写入的过程，但还需牢记，一旦数据读出写入完成，剩下的操作数据的过程不属于IO的范围。
在Linux系统中，我们常见的IO机制有以下几种：
阻塞IO
非阻塞IO
多路复用IO
异步IO

阻塞IO与非阻塞IO

阻塞IO

  结合以上说的概念，再延伸一下，阻塞IO指的是应用程序发出一个阻塞系统的调用时，在等待数据到达用户空间的过程中，应用程序的执行被挂起，应用程序从操作系统的运行队列加入等待队列，等到系统调用完成后，应用程序移回到运行队列中。

非阻塞IO

  非阻塞IO，按上面说的IO的两个过程细分一下，等待数据到达用户空间（非阻塞）及在用户空间发生拷贝（阻塞）的这两个过程中，所以非阻塞IO主要是说明，用户进程不会阻塞于等待数据达到用户空间的过程中，此时它会多次发起系统调用，并马上返回错误的结果，直到数据到达用户空间会返回OK，然后继续执行拷贝，但拷贝的过程是阻塞的。所以这种方式严格一点来说，并不能将全部的过程都称为非阻塞IO，这种轮询的方式，会消耗CPU资源。

多路复用IO

  多路复用其实是一种同步非阻塞的IO方式，epoll就是多路复用的典型，多路复用从select、poll、epoll一路进阶，详细的过程可以看专门写epoll的那篇文章，总之它的过程就是用户进程在等待数据到达用户空间的过程中，epoll会监听所有的socket，用户进程也会加入epoll的等待队列，当某一个socket接收数据，epoll会把收到数据的socket加入自己的list，从而得知是具体的哪个socket收到了数据，并唤醒等待这个socket的进程，不知道在我刚刚的描述中，你是否能感受到多路复用的好处，epoll相比select的好处是无需去轮询，但在等待数据到达的这个过程，还是一个阻塞的状态。以上过程中有一点要注意，对于用户进程来说，在等待数据到用户空间的过程中，其实它是阻塞于epoll的，它要等待epoll获悉具体的某一个socket收到数据后唤醒它；但对于socket来说，数据从网络传递进来需要一个过程，它等待数据的过程中，没有阻塞挂起，是非阻塞的。所以我们说的多路复用是一直同步非阻塞的方式，如果从用户进程的角度来说，好像不够严谨。
  通过以上这些过程也能发现，阻塞IO，用户程序在等待IO及拷贝的过程是线程挂起的，相当于就还是只能允许一个线程的进行，所以阻塞IO无论如何都是同步的。

异步IO

  异步IO使用率不如之前的高，所以在这里简单的说一下，它不难理解，总是还是按照我们说的那两个过程去看，在等待数据到达的过程及数据拷贝的过程，用户进程都不会死等阻塞，而是去干自己的事情，当数据完成从内核空间到用户空间的拷贝后，才会通知用户进程。这样看来，异步IO都是非阻塞的。

非阻塞和异步IO的区别

  非阻塞和异步IO，甚至会认为非阻塞就是异步了，其实不然，一次IO操作分两个阶段，第一阶段是等待数据，第二阶段是拷贝数据（内核到用户空间），非阻塞IO操作在数据还没有到达时是立即返回的，这一点表现的跟异步一样，但是在第二个阶段，当数据准备妥当的时候，非阻塞IO是阻塞的，直到数据拷贝完成，这一点表现的与异步IO完全不一样，异步根本不关心你的数据是否到达以及你的数据是否拷贝完成，异步发起一次IO操作后就去干别的事儿了，直到内核发出一个信号通知这一事件，它才会转回来继续处理。

小结

  IO过程主要有两个部分：等待数据（比如从网卡到达内核空间）、读写数据（从内核空间拷贝到用户空间），前三种关于阻塞IO和非阻塞IO的划分，主要是针对等待数据这个过程而言，因为从内核空间拷贝到用户空间的这个过程它们都是阻塞的。异步IO不会引起用户进程的阻塞。