Linux I/O模型以及IO同步/异步/阻塞/非阻塞的区别
I/O模型
- 阻塞 I/O（blocking IO）
- 非阻塞 I/O（nonblocking IO）
- I/O 多路复用（ IO multiplexing）
- 信号驱动I/O（ signal driven IO）
- 异步 I/O（asynchronous IO）
- 五种I/O模型对比
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- 阻塞和非阻塞的区别
- 同步和异步的区别
- 对比图
- 可以同步非阻塞吗
- epoll是同步的还是异步的
对于一次IO访问（以read为例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，会经历两个阶段：
- 等待数据准备，即将数据从磁盘拷贝到内核页缓存中（Waiting for the data to be ready）。
- 将数据从内核页缓存拷贝到进程中（Copy the data from kernel to the process）。
正是因为这两个阶段，linux系统产生了五种I/O模型。
阻塞 I/O（blocking IO）
在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：
当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。
blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。
非阻塞 I/O（nonblocking IO）
linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：
当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。
nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
I/O 多路复用（ IO multiplexing）
IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。
当用户进程调用了select，那么整个进程就会被block。IO多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入就绪状态，select()函数就可以返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。
信号驱动I/O（ signal driven IO）
信号驱动IO相对非阻塞IO，其在数据准备完成时，通过系统的SIGIO信号机制，通知应用程序，数据准备完成，应用程序收到信号后，让IO线程完成数据传输由内核空间到应用缓存空间过程。信号驱动IO模型在IO第一阶段是非阻塞的，在第二阶段仍然是阻塞的。
实际开发中，很少用到信号驱动IO模型，主要原因是对于流式套接字来说，很多情况可以导致SIGIO产生，而应用无法区分具体是什么情况导致的SIGIO信号。 例如：完成连接请求，收到断连请求，断连完成，套接字收到数据，套接字发出数据都会发出SIGIO信号到应用。
异步 I/O（asynchronous IO）
用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。
asynchronous IO的特点是在I/O的两个阶段不会对用户进程产生任何block。
五种I/O模型对比
阻塞和非阻塞的区别
总结来说，是否是阻塞还是非阻塞，关注的是应用层在接口调用（发出请求）后等待数据返回时应用层本身的状态。被挂起无法执行其他操作的应用层进程是阻塞型的，可以被立即「抽离」去完成其他「任务」的应用层进程则是非阻塞型的。
同步和异步的区别
阻塞和非阻塞解决了应用层等待数据返回时的状态问题，那系统内核获取到的数据到底如何返回给进程的用户空间呢？这里不同类型的操作便体现的是同步和异步的区别。
同步IO：主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞
异步IO：异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。
对比图
按照上述定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于同步 IO。
通过上面的图片，可以发现non-blocking IO和异步 IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而异步IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。
可以同步非阻塞吗
可以，同步和非阻塞不是一个层面的内容，阻塞还是非阻塞关注的是应用层在接口调用（发出请求）后等待数据返回时应用层本身的状态。同步还是异步，关注的是任务完成时消息通知的方式。
epoll是同步的还是异步的
同步IO：发起调用之后等待功能完成，操作完成之后再返回。
异步IO：发起调用之后立即返回，只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。
在epoll模型中，涉及到同步异步概念的有两处：IO和套接字就绪后的通知消息，而这两处恰好是不一样的。根据UNIX网络编程中的定义，epoll/select需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，因此epoll中的IO是同步的，但是套接字就绪后的通知epoll的消息是异步的。
