為了更好的理解五種IO模型，我們先來說一下幾個概念：同步，非同步，阻塞和非阻塞。

同步和非同步

　　這兩個概念與訊息的通知機制有關。

同步

　　所謂同步，就是在發出一個功能呼叫時，在沒有得到結果之前，該呼叫就不返回。比如，呼叫readfrom系統呼叫時，必須等待IO操作完成才返回。

非同步

　　非同步的概念和同步相對。當一個非同步過程呼叫發出後，呼叫者不能立刻得到結果。實際處理這個呼叫的部件在完成後，通過狀態、通知和回撥來通知呼叫者。比如：呼叫aio_read系統呼叫時，不必等IO操作完成就直接返回，呼叫結果通過訊號來通知呼叫者。

阻塞與非阻塞

　　阻塞與非阻塞與等待訊息通知時的狀態

阻塞　

　　阻塞呼叫是指呼叫結果返回之前，當前執行緒會被掛起。函式只有在得到結果之後才會返回。　　
　　阻塞和同步是完全不同的概念。首先，同步是對於訊息的通知機制而言，阻塞是針對等待訊息通知時的狀態來說的。而且對於同步呼叫來說，很多時候當前執行緒還是啟用的，只是從邏輯上當前函式沒有返回而已。

非阻塞

　　非阻塞和阻塞的概念相對應，指在不能立刻得到結果之前，該函式不會阻塞當前執行緒，而會立刻返回，並設定相應的errno。
　　雖然表面上看非阻塞的方式可以明顯的提高CPU的利用率，但是也帶了另外一種後果就是系統的執行緒切換增加。增加的CPU執行時間能不能補償系統的切換成本需要好好評估。

事例

　　以小明下載檔案為例，對上述概念做一梳理：
　　　
①、同步阻塞：小明一直盯著下載進度條，到 100% 的時候就完成。
　
　　同步：等待下載完成通知；
　　阻塞：等待下載完成通知過程中，不能做其他任務處理；

②、同步非阻塞：小明提交下載任務後就去幹別的，每過一段時間就去瞄一眼進度條，看到 100% 就完成。

　　同步：等待下載完成通知；
　　非阻塞：等待下載完成通知過程中，去幹別的任務了，只是時不時會瞄一眼進度條；【小明必須要在兩個任務間切換，關注下載進度】

③、非同步阻塞：小明換了個有下載完成通知功能的軟體，下載完成就“叮”一聲。不過小明仍然一直等待“叮”的聲音（看起來很傻，不是嗎）。

　　非同步：下載完成“叮”一聲通知；
　　阻塞：等待下載完成“叮”一聲通知過程中，不能做其他任務處理；

④、非同步非阻塞：仍然是那個會“叮”一聲的下載軟體，小明提交下載任務後就去幹別的，聽到“叮”的一聲就知道完成了。
　　
　　非同步：下載完成“叮”一聲通知；
　　非阻塞：等待下載完成“叮”一聲通知過程中，去幹別的任務了，只需要接收“叮”聲通知。

五種IO模型

阻塞式I/O
非阻塞式I/O
I/O複用（select，poll，epoll等）
訊號驅動式I/O（SIGIO）
非同步I/O（POSIX的aio_系列函式）

IO執行的兩個階段

　　在Linux中，對於一次讀取IO的操作，資料並不會直接拷貝到程式的程式緩衝區。通常包括兩個不同階段：
　（1）等待資料準備好，到達核心緩衝區；
　（2）從核心向程序複製資料。
　　對於一個套接字上的輸入操作，第一步通常涉及等待資料從網路中到達。當所有等待分組到達時，它被複制到核心中的某個緩衝區。第二步就是把資料從核心緩衝區複製到應用程式緩衝區。

阻塞式I/O模型：

　　同步阻塞 IO 模型是最常用、最簡單的模型。在linux中，預設情況下，所有套接字都是阻塞的。 下面我們以阻塞套接字的recvfrom的的呼叫圖來說明阻塞：

　　程序呼叫一個recvfrom請求，但是它不能立刻收到回覆，直到資料返回，然後將資料從核心空間複製到程式空間。
　　在IO執行的兩個階段中，程序都處於blocked(阻塞)狀態，在等待資料返回的過程中不能做其他的工作，只能阻塞的等在那裡。
　　
優缺點：
　　優點是簡單，實時性高，響應及時無延時，但缺點也很明顯，需要阻塞等待，效能差；

非阻塞式I/O：

　　與阻塞式I/O不同的是，非阻塞的recvform系統呼叫呼叫之後，程序並沒有被阻塞，核心馬上返回給程序，如果資料還沒準備好，此時會返回一個error（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。程序在返回之後，可以處理其他的業務邏輯，過會兒再發起recvform系統呼叫。採用輪詢的方式檢查核心資料，直到資料準備好。再拷貝資料到程序，進行資料處理。
　　在linux下，可以通過設定socket套接字選項使其變為非阻塞。下圖是非阻塞的套接字的recvfrom操作

　　如上圖，前三次呼叫recvfrom請求，但是並沒有資料返回，所以核心返回errno(EWOULDBLOCK)，並不會阻塞程序。但是當第四次呼叫recvfrom，資料已經準備好了，然後將它從核心空間拷貝到程式空間，處理資料。
　　在非阻塞狀態下，IO執行的等待階段並不是完全的阻塞的，但是第二個階段依然處於一個阻塞狀態。
　　
同步非阻塞方式相比同步阻塞方式：
　　優點：能夠在等待任務完成的時間裡幹其他活了（包括提交其他任務，也就是 “後臺” 可以有多個任務在同時執行）。
　　缺點：任務完成的響應延遲增大了，因為每過一段時間才去輪詢一次read操作，而任務可能在兩次輪詢之間的任意時間完成。這會導致整體資料吞吐量的降低。

I/O多路複用（select，poll，epol）：

　　IO 多路複用的好處就在於單個程序就可以同時處理多個網路連線的IO。它的基本原理就是不再由應用程式自己監視連線，取而代之由核心替應用程式監視檔案描述符。
　　以select為例，當用戶程序呼叫了select，那麼整個程序會被阻塞，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，將資料從核心拷貝到使用者程序。如圖：

　　這裡需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而阻塞 IO只調用了一個system call (recvfrom)。所以，如果處理的連線數不是很高的話，使用IO複用的伺服器並不一定比使用多執行緒+非阻塞阻塞 IO的效能更好，可能延遲還更大。IO複用的優勢並不是對於單個連線能處理得更快，而是單個程序就可以同時處理多個網路連線的IO。
　　實際使用時，對於每一個socket，都可以設定為非阻塞。但是，如上圖所示，整個使用者的程序其實是一直被阻塞的。只不過程序是被select這個函式阻塞，而不是被IO操作給阻塞。所以IO多路複用是阻塞在select，epoll這樣的系統呼叫之上，而沒有阻塞在真正的I/O系統呼叫（如recvfrom）。

優勢
　　與傳統的多執行緒/多程序模型比，I/O多路複用的最大優勢是系統開銷小，系統不需要建立新的額外程序或者執行緒，也不需要維護這些程序和執行緒的執行，降底了系統的維護工作量，節省了系統資源。
主要應用場景：
　　①、伺服器需要同時處理多個處於監聽狀態或者多個連線狀態的套接字；
　　②、伺服器需要同時處理多種網路協議的套接字，如同時處理TCP和UDP請求；
　　③、伺服器需要監聽多個埠或處理多種服務；
　　④、伺服器需要同時處理使用者輸入和網路連線。

訊號驅動式I/O

　　允許Socket進行訊號驅動IO,並註冊一個訊號處理函式，程序繼續執行並不阻塞。當資料準備好時，程序會收到一個SIGIO訊號，可以在訊號處理函式中呼叫I/O操作函式處理資料。如下圖：

　　阻塞在IO操作的第二階段

非同步I/O模型：

　　上述四種IO模型都是同步的。相對於同步IO，非同步IO不是順序執行。使用者程序進行aio_read系統呼叫之後，就可以去處理其他的邏輯了，無論核心資料是否準備好，都會直接返回給使用者程序，不會對程序造成阻塞。等到資料準備好了，核心直接複製資料到程序空間，然後從核心向程序傳送通知，此時資料已經在使用者空間了,可以對資料進行處理了。
　　在 Linux 中，通知的方式是 “訊號”，分為三種情況：
　　①、如果這個程序正在使用者態處理其他邏輯，那就強行打斷，呼叫事先註冊的訊號處理函式，這個函式可以決定何時以及如何處理這個非同步任務。由於訊號處理函式是突然闖進來的，因此跟中斷處理程式一樣，有很多事情是不能做的，因此保險起見，一般是把事件 “登記” 一下放進佇列，然後返回該程序原來在做的事。
　　②、如果這個程序正在核心態處理，例如以同步阻塞方式讀寫磁碟，那就把這個通知掛起來了，等到核心態的事情忙完了，快要回到使用者態的時候，再觸發訊號通知。
　　③、如果這個程序現在被掛起了，例如陷入睡眠，那就把這個程序喚醒，等待CPU排程，觸發訊號通知。

　　IO兩個階段，程序都是非阻塞的。

五種IO模型比較

　　其實前四種I/O模型都是同步I/O操作，他們的區別在於第一階段，而他們的第二階段是一樣的：在資料從核心複製到應用緩衝區期間（使用者空間），程序阻塞於recvfrom呼叫。相反，非同步I/O模型在這等待資料和接收資料的這兩個階段裡面都是非阻塞的，可以處理其他的邏輯使用者程序將整個IO操作交由核心完成，核心完成後會發送通知。在此期間，使用者程序不需要去檢查IO操作的狀態，也不需要主動的去拷貝資料。