I/O模型详解

网络IO：

本质是socket读取，利用套接字（IP地址+端口号），将数据发到socket文件（自建），通过socket发送到远程主机，并且使用socket接受数据。

每次IO都要经过两个阶段：

1. 将数据从磁盘文件先加载至内核内存空间（缓冲区），等待数据准备完成，时间较长。
2. 将数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程的内存中，时间较短。

同步/异步

关注的是消息通信机制
● 同步：synchronous，调用者等待被调用者返回信息，才能继续执行（调用者主动问）。
● 异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态。
阻塞/非阻塞：关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

阻塞/非阻塞

● 阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起。
● 非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成，最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起。

I/O模型：

1.同步阻塞IO模型

● 同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户进程在内核进行IO操作时被阻塞。
● 用户线程通过系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，将接收到的数据拷贝到用户空间，完成read操作
● 用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收到的数据，整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。
● 用户面对的是程序，内核干的事情越多，程序就可以接收更多的请求且更快。

2.同步非阻塞IO模型

● 用户线程发起IO请求时立即返回，但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。即"轮询"机制。
● 整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU资源。
● 比较浪费CPU的方式，一般很少直接使用这种模型，而是在其它IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

3.IO多路复用模型

● 多个连接共用一个等待机制，本模型会阻塞进程，但是进程是阻塞在select或者poll这两个系统调用上而不是阻塞在真正的IO上。
● 用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没太大区别，反而有由于添加了监视IO，以及调用select函数的额外操做，效率更差，并且阻塞了两次，但可以达到在同一个线程内处理多个IO请求的目的。

I/O多路复用含义

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或多个IO条件准备读取，就通知该进程。
● 应用场景：

• 当客户端处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接字）。
• 当一个TCP服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字。
• 当一个服务器既要处理TCP，又要处理UDP时。
• 当一个服务器要处理多个服务或多个协议

4.信号驱动IO模型

● 半阻塞，性能已经有所提高。
● 用户进程通过会注册一个信号处理程序，然后主程序可以继续向下执行，当有IO操作准备就绪时，由内核通知触发一个信号处理程序执行，然后将用户进程所需要的数据从内核空间就拷贝到用户空间。
● 此模型优势在于等待数据报到期间进程不被堵塞，用户主程序可以继续执行，只需要等待来自信号的处理函数的通知。

5.异步IO模型

● 异步IO由内核告诉用户线程IO操作何时完成。操作系统对于异步IO的支持并不完善，所以并不常用，更多的是采用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构。

缓存IO

缓存I/O又被称作标准I/O，大多数文件系统的默认I/O操作都是缓存I/O。在Linux的缓存I/O机制中，数据先从磁盘复制到内核空间的缓冲区，然后从内核空间缓冲区复制到应用程序的地址空间。

读操作：操作系统检查内核的缓冲区有没有需要的数据，如果已经缓存了，那么就直接从缓存中返回；否则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中。

写操作：将数据从用户空间复制到内核空间的缓存中。这时对用户程序来说写操作就已经完成，至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定，除非显示地调用了sync同步命令。

• 缓存I/O的优点：
  • 在一定程度上分离了内核空间和用户空间，保护系统本身的运行安全；
  • 可以减少读盘的次数，从而提高性能。
• 缓存I/O的缺点：
  在缓存 I/O 机制中，DMA 方式可以将数据直接从磁盘读到页缓存中，或者将数据从页缓存直接写回到磁盘上，而不能直接在应用程序地址空间和磁盘之间进行数据传输，这样，数据在传输过程中需要在应用程序地址空间（用户空间）和缓存（内核空间）之间进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的CPU以及内存开销是非常大的。