IO模式

本文討論的背景是Linux環境下的網路IO。

對於一次IO訪問，資料會先被拷貝到作業系統核心的緩衝區中，然後再從作業系統核心的緩衝區拷貝到應用程式的地址空間。

所以，當發生一個IO操作時，它會經歷兩個階段：
1. 等待資料準備
2. 將資料從核心拷貝到程序中

對於兩個階段，linux系統產生了下面五種網路模式的IO儲存方案。

• 阻塞 I/O（blocking IO）
• 非阻塞 I/O（nonblocking IO）
• I/O 多路複用（ IO multiplexing）
• 訊號驅動 I/O（ signal driven IO）
• 非同步 I/O（asynchronous IO）

注：訊號驅動IO在實際中並不常用，所以我們討論剩下的四種IO模式。

阻塞IO：

在linux中，預設情況下所有的socket都是阻塞io。

這個模式的特點在於，當用戶程序呼叫了io操作的時候，作業系統就開始準備資料，當作業系統核心一直等到資料準備好了，它就會將資料從作業系統核心中拷貝到使用者記憶體，然後返回結果，使用者程序才解除鎖住的狀態，重新執行起來。整個過程需要等待（不能立刻完成），而使用者程序這邊，就相當於是卡著一直在等他完成返回結果。

所以，阻塞IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被鎖住了

非阻塞 I/O（nonblocking IO）

linux下，可以通過設定socket使其變為非阻塞IO。

非阻塞IO的特點是，當用戶程序發出IO操作時，在第一個階段如果核心資料還沒準備好，並不會鎖住使用者程序，而是立刻返回一個error。然後使用者程序收到error，就知道沒準備好，就會再去問核心有沒有準備好，直到核心準備好，並且收到了使用者程序的詢問，就會立刻拷貝資料，然後進行第二階段（第二階段依然會卡住，非阻塞IO只是在第一階段非阻塞）

就像打電話一樣，對方佔線，你就一直打，直到對方接通為止，但效率不高。所以，nonblocking IO的特點是使用者程序需要不斷的主動詢問kernel資料好了沒有。

I/O 多路複用（ IO multiplexing）

IO多路複用就是我們用的select，poll，epoll。當用戶程序呼叫了select，那麼整個程序會被block，而同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的資料準備好了，select就會返回。這個時候使用者程序再呼叫read操作，將資料從kernel拷貝到使用者程序。簡單的說，就是和阻塞IO處理方式一樣，但不同的是，select可以一下把很多很多檔案描述符都傳過來，然後作業系統核心同時監視他們，只要其中一個就緒，就及時處理那個，而不需要一個個等待處理。

他的效能可能比阻塞IO還要差，但他的優點在於能同時處理多個連線。所以，如果處理的連線數不是很高的話，使用IO多路複用不一定比使用多執行緒+阻塞IO的效能更好，可能延遲還更大。

非同步 I/O（asynchronous IO）

Linux下的非同步IO其實用得很少。

非同步io的特點很簡單：當處理一個io操作的時候，使用者程序把資料傳過來，作業系統會立刻返回“收到”，使用者程序就不用管了，可以幹別的事情了。等作業系統核心處理完2個階段，就自動告訴使用者程序我處理完了。

總結一下：

阻塞IO：使用者一直等作業系統核心完成2個階段io操作，再繼續

非阻塞IO：第一階段使用者一直問作業系統有沒有準備好，第二階段等作業系統完成。

IO多路複用：使用者程序可以同時發多個網路連線IO，作業系統實施監控，雖然使用者程序2個階段都卡住了，但可以處理多個連線。

非同步IO：使用者程序完全把東西交給作業系統完成，自己不管了。