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IO 其實就是 Input 和 Output，在作業系統中就對應資料流的輸入與輸出。這個資料流的兩端，可以是檔案，也可以是網路的一臺主機。但無論是檔案，還是網路主機，其傳輸都是類似的，我們今天就以源頭為檔案進行說明。

一個檔案要從磁碟到我們的記憶體，需要經過很複雜的操作。首先，需要將資料從硬體讀取出來，然後放入作業系統核心緩衝區，之後再將資料拷貝到程式緩衝區，最後應用程式才能讀取到這個檔案。簡單地說，無論什麼 IO 模型，其讀取過程總會經歷下面兩個階段：

  • 等待資料到達核心緩衝區
  • 從核心緩衝區拷貝資料到程式緩衝區

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而我們 Linux 根據這兩個階段的是否阻塞，分成了 5 個經典的 IO 的模型，分別是：

  • 阻塞 IO 模型
  • 非阻塞 IO 模型
  • IO 複用模型
  • 訊號驅動 IO 模型
  • 非同步 IO 模型

阻塞 IO 模型

阻塞 IO 稱為 Blocking IO，簡稱 BIO。在阻塞 IO 模型中，當程序發起一個讀取檔案請求（recvfrom 系統呼叫）時，如果核心快取區沒有對應的資料，那麼它不會立刻恢復，而是去讀取磁碟資料，當資料讀取完畢後，再返回給程序。此時，第一個階段完成。在這個階段程序是阻塞的，因為它要等待核心將資料讀取到核心緩衝區。

而當程序收到核心的響應之後，程序再把資料從核心緩衝區複製到程式緩衝區，最後完成檔案讀取操作。此時，第二個階段完成。在這個階段程序也是阻塞的，因為它要將資料從核心緩衝區拷貝到程式緩衝區。

簡單地說：在阻塞 IO 模型裡，從硬體到系統核心、從系統核心到程式空間，都是阻塞的。

非阻塞 IO 模型

在非阻塞 IO 模型下，當一個請求發起讀取檔案請求（recvfrom）時，如果核心緩衝區沒有資料，那麼核心會讀取檔案資料。但此時請求並不會阻塞，而是返回一個錯誤資訊（EWOULDBLOCK）告訴程序：資料暫時還沒準備好，你待會兒再試試。

於是程序就不斷地向核心重試，問：資料準備好了沒有，資料準備好了沒有……當核心準備好資料，程序就會收到對應訊息，於是第一階段就結束了。非阻塞 IO 中的非阻塞說的就是程序不會阻塞在這裡，而是會不斷重試。

雖然說這樣並沒有太大用處，反而會使得 CPU 空轉，但總比之前有了一點進步。在這個階段程序並不是阻塞的。當程序得知核心準備好資料之後，其便會將資料從核心緩衝區拷貝到程式緩衝區。這個階段與阻塞 I/O 模型是完全一樣的，同樣是會導致程序阻塞。

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簡單地說：在非阻塞 IO 模型裡，從硬體到系統核心、從系統核心到程式空間，同樣都是阻塞的。但是其比阻塞 IO 爭氣了一點，並不是站在那裡不動，好歹還跑了一下。雖然是在做無用功，但是好歹提高了一丟丟效率。

IO 複用模型

IO 複用之所以叫複用，是因為其能同時操作多個數據流。而前面的 阻塞 IO、非阻塞 IO 同一時間只能操作一個數據流。在 IO 複用模型中，程序監聽多個數據流並阻塞，當任何一個數據流有資料之後，其便會收到核心的響應。此時，第一個階段完成，在這個階段程序其實是阻塞的。

而當收到核心的響應後，程序便會將資料從核心緩衝區複製到程式緩衝區。這個階段與上面兩個模型一模一樣，程序同樣阻塞。

簡單地說：IO 複用模型在第二階段與阻塞 IO 和非阻塞 IO 是完全一致的。但是在第一階段上，其有效率上的巨大提升，其能同時輪詢多個數據流，提高了效率。

訊號驅動 IO 模型

訊號驅動與前面幾個模型的不同之處就在與訊號這個詞。訊號驅動 IO 在第一階段，即資料到達核心緩衝區之前，程序是不阻塞的，而是設定一個訊號回撥。當資料到達核心緩衝區之後，核心呼叫程式的回撥。通過這種方式，訊號驅動 IO 下的程序就可以不阻塞，可以去做其他事情了。

而當程序收到訊號，程序再將資料從核心緩衝區複製到程式緩衝區。這個過程與上面幾個是完全一樣的，同樣也是阻塞的。

訊號驅動 IO 可以說是 IO 讀取的一個里程碑，其真正實現了非同步讀取資料。訊號驅動 IO 其二個階段，與上面幾個是一樣的。但是其在第一個階段做到了真正的非同步。訊號驅動 IO 在第一階段，其去請求核心讀取資料，這時候其不會阻塞，也不會去尋輪，而是設定一個訊號回撥。 當資料完全拷貝到系統核心時，系統發出 SIGIO 訊號，通知程序去進行第二階段，將資料拷貝到程式緩衝區。

非同步 IO 模型

非同步 IO 相比前面幾個流程，真正做到了完全非阻塞。無論是在第一階段，還是在第二階段都是非阻塞。與訊號驅動 IO 類似，非同步 IO 模型通過訊號回撥的方式，在第一個階段實現了程序的非阻塞。而當資料到達核心緩衝區之後，程序便會收到通知。

而當程序收到通知之後，程序再次將資料從核心緩衝區複製到程序緩衝區，但這時程序並不等待，而是同樣設定一個訊號回撥。當複製完成後，程序收到通知，再進行相應的處理。

非同步 IO 與訊號驅動 IO 相比，做得更加徹底了！

非同步 IO 不僅僅是在第一階段實現了訊號回撥，其也在第二階段實現了訊號回撥，從而完全實現了非同步 IO 操作。

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總結

我們回顧一下這 5 種 IO 模型：

  • 阻塞 IO 模型：硬體到系統核心，阻塞。系統核心到程式空間，阻塞。
  • 非阻塞 IO 模型：硬體到系統核心，輪詢阻塞。系統核心到程式空間，阻塞。
  • 複用 IO 模型：硬體到系統核心，多流輪詢阻塞。系統核心到程式空間，阻塞。
  • 訊號驅動 IO 模型：硬體到系統核心，訊號回撥不阻塞。系統核心到程式空間，阻塞。
  • 非同步 IO 模型：硬體到系統核心，訊號回撥不阻塞。系統核心到程式空間，訊號回撥不阻塞。

從上面的 5 種 IO 模型，我們可以看出，真正實現非同步非阻塞的只有非同步 IO 這種模型，而其他四種都是同步性 IO。因為在第二階段：從核心緩衝區複製到程序緩衝區的時候，不可能幹其他事情。

好了，關於 Linux IO 模型的分享，今天就聊到這兒。

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