【操作系统】｜浅谈IO模型

I/O（Input/Output）指的是应用程序与外部环境之间的数据交换。I/O 操作涉及从外部设备（如硬盘、网络、键盘、鼠标等）读取数据或向外部设备写入数据。

操作系统启动后，将会开启保护模式：将内存分为内核空间（内核对应进程所在内存空间）和用户空间，进行内存隔离。我们构建的程序将运行在用户空间，用户空间无法操作内核空间，也就意味着用户空间的程序不能直接访问由内核管理的I/O。

操作系统向外提供API，其由各种类型的系统调用（System Call）组成，以提供安全的访问控制。应用程序通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问，故一次IO操作实际包含两个阶段：

• IO调用阶段：应用程序进程向内核发起系统调用
• IO执行阶段：内核执行IO操作并返回
    1.准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据
    2. 拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区

阻塞IO / BIO

应用程序中进程在发起IO调用后至内核执行IO操作返回结果之前，若发起系统调用的线程一直处于等待状态。

BIO带来了一个问题：如果内核数据需要耗时很久才能准备好，那么用户进程将被阻塞，浪费性能。为了提升应用的性能，虽然可以通过多线程来提升性能，但线程的创建依然会借助系统调用，同时多线程会导致频繁的线程上下文的切换，同样会影响性能。

非阻塞IO / NIO

将阻塞变为非阻塞，那就是用户进程在发起系统调用时指定为非阻塞，内核接收到请求后，就会立即返回，然后用户进程通过轮询的方式来拉取处理结果。

非阻塞IO虽然相对于阻塞IO大幅提升了性能，其依然存在性能问题，也就是频繁的轮询导致频繁的系统调用，会耗费大量的CPU资源。比如当并发很高时，假设有1000个并发，那么单位时间循环内将会有1000次系统调用去轮询执行结果，而实际上可能只有2个请求结果执行完毕，这就会有998次无效的系统调用，造成严重的性能浪费。有问题就要解决，那NIO问题的本质就是频繁轮询导致的无效系统调用。

I/O 多路复用

select/poll

Select是内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态，当任意一个结果状态可用时就会返回，用户进程再发起一次系统调用进行数据读取。换句话说，就是NIO中N次的系统调用，借助Select，只需要发起一次系统调用就够了。

select有一个限制，就是存在连接数限制，针对于此，又提出了poll。其与select相比，主要是解决了连接限制。select/epoll 虽然解决了NIO重复无效系统调用用的问题，但同时又引入了新的问题。

• 用户空间和内核空间之间，大量的数据拷贝
• 内核循环遍历IO状态，浪费CPU时间

epoll

epoll相较于select/poll，多了两次系统调用，其中epoll_create建立与内核的连接，epoll_ctl注册事件，epoll_wait阻塞用户进程，等待IO事件。

信号驱动 I/O 

• 在信号驱动模型中，程序告诉操作系统在 I/O 操作完成时发送一个信号给程序，程序可以在信号处理函数中处理完成的 I/O 操作。
• 这样程序不需要一直轮询，但仍然需要处理信号。

异步 I/O / AIO

• 在异步模型中，程序发起一个 I/O 操作后，可以继续执行其他任务，当 I/O 操作完成时，操作系统通知程序，程序再处理完成的数据。
• 异步 I/O 模型通常需要使用回调函数或异步事件处理机制。