0.引言

    隨著互聯(lián)網(wǎng)應用和高性能計算的發(fā)展，對于性能要求日益提升，而I/O作為影響性能的關鍵瓶頸之一，深入理解I/O模型對于提高應用的的性能非常重要，然而，阻塞/非阻塞與同步/異步作為I/O模型的核心概念，常常被混淆，本文將深入探討這些概念的本質以及其實現(xiàn)上的差異。

1. I/O操作流程

    要理解不同的I/O模型需要先明確I/O操作的基本流程。一般來說，一次完整的I/O操作包含兩個關鍵的階段，這兩個階段的不同產生了不同的I/O模型。

1）數(shù)據(jù)準備階段：數(shù)據(jù)準備階段對于讀取來說是將外部設備數(shù)據(jù)（如磁盤、網(wǎng)絡等）加載到內核緩沖區(qū)（等待數(shù)據(jù)到來）；對于寫入來說是等待內核緩沖區(qū)有足夠的空間接收用戶的數(shù)據(jù)（等待空間騰出來）。

2）數(shù)據(jù)拷貝階段：數(shù)據(jù)拷貝階段對于讀取操作來說就是將數(shù)據(jù)從內核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間緩沖區(qū)；對于寫入來說就是將用戶空間緩沖區(qū)拷貝到內核緩沖區(qū)。

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2.阻塞/非阻塞、同步/異步

2.1 阻塞/非阻塞

    阻塞/非阻塞關注等待的狀態(tài)，是一直等待不能做其他事情還是可以立即返回通過輪詢/事件方式獲取結果。我們以網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)為例，如果socket沒有設置為非阻塞的，那么調用recv函數(shù)時就會一直等待直到數(shù)據(jù)到達或者連接關閉，而如果設置socket為非阻塞就可以動態(tài)輪詢去獲取狀態(tài)，但是由于輪詢有可能導致CPU資源浪費，所以一般配合多路復用技術一起使用。

    總結一下，阻塞/非阻塞對于I/O來講就是其影響線程的等待狀態(tài)（是否可以做別的事情，線程是否還是運行狀態(tài)），而且這主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)準備階段。

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2.2 同步/異步

    同步和異步關注的是結果的通知方式，同步的需要自己等待結果返回，而異步的是有結果了通知你。我們還是以網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)為例，直接調用recv函數(shù)，不論是阻塞I/O還是非阻塞I/O，其都是程序自己獲取狀態(tài)后進行同步的數(shù)據(jù)拷貝（從內核->用戶空間）；那與其對應的就是異步I/O，異步I/O中應用程序只需要向內核發(fā)起I/O請求，內核完成數(shù)據(jù)的讀寫操作后會通過事先約定的方式，如信號或回調函數(shù)來通知應用程序，比如使用aio_read。

    總結一下，同步/異步對于I/O來講就是關注結果的通知方式以及是否需要程序自行進行數(shù)據(jù)的拷貝。

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2.3 概念辨析（阻塞≠同步，非阻塞≠異步）

    在我們的理解中，很容易將阻塞和同步以及非阻塞和異步聯(lián)系起來，但其對于I/O操作來說，阻塞和非阻塞僅僅只是描述數(shù)據(jù)準備階段的等待狀態(tài)，而同步異步則是涵蓋了整個I/O操作的通知機制。也就是說，在處理I/O時，無論是阻塞還是非阻塞都是同步I/O，只有使用特殊的API的才是異步的I/O。

3.I/O模型

    根據(jù)上面對于阻塞/非阻塞以及同步/異步的概念說明，接下來來看一下常見的I/O模型，此處主要做概念的說明。

3.1 阻塞I/O模型

1）實現(xiàn)流程：進程發(fā)起I/O請求->內核檢查數(shù)據(jù)是否準備好->沒準備好則阻塞等待->數(shù)據(jù)準備好后內核拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間，線程被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。

3.2 非阻塞I/O模型

1）實現(xiàn)流程：進程發(fā)起 I/O 請求→內核檢查數(shù)據(jù)是否準備好→若未準備好，內核返回 “未就緒”，進程不阻塞，繼續(xù)執(zhí)行其他任務→進程定期輪詢發(fā)起 I/O 請求→數(shù)據(jù)準備完成后，內核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，返回結果→進程處理數(shù)據(jù)。

2）特點：無需長時間阻塞，但會造成一些CPU資源浪費。

3.3 I/O復用模型

    多路I/O共用一個同步阻塞接口，任意I/O可操作時都能激活I/O操作，這是對阻塞I/O的改進，讓阻塞發(fā)生在多路復用的接口（如select,epoll），而不是發(fā)生在單個I/O上。

1）實現(xiàn)流程：進程創(chuàng)建監(jiān)控對象（如 epoll 實例）→將需要監(jiān)控的 I/O 描述符添加到監(jiān)控對象中→進程阻塞等待監(jiān)控對象通知→當任一 I/O 描述符數(shù)據(jù)準備好后，監(jiān)控對象喚醒進程→進程對就緒的 I/O 描述符進行數(shù)據(jù)拷貝和處理。

2）特點：資源消耗減少，但數(shù)據(jù)拷貝階段仍可能阻塞。

3.4 信號驅動I/O模型

1）實現(xiàn)流程：進程發(fā)起 I/O 請求時，注冊信號處理函數(shù)→內核返回，進程不阻塞，繼續(xù)執(zhí)行→數(shù)據(jù)準備完成后，內核發(fā)送信號通知進程→進程調用信號處理函數(shù)，完成數(shù)據(jù)拷貝和處理。

2）特點：避免輪詢開銷，但帶來了信號機制的復雜性。

3.5 異步I/O模型

1）實現(xiàn)流程：進程發(fā)起異步 I/O 請求，指定回調函數(shù)→內核負責完成數(shù)據(jù)準備和數(shù)據(jù)拷貝→操作完成后，內核通過回調函數(shù)通知進程→進程處理結果。

2）特點：全程無阻塞和輪詢，CPU利用率高，編程稍復雜。

3.6 I/O模型總結

    上面介紹的五種I/O模型，我們從I/O的兩階段來看（數(shù)據(jù)準備階段和數(shù)據(jù)拷貝階段），前面四種都有阻塞且有依賴程序主動獲取狀態(tài)，只有最后的異步I/O模型完全沒有阻塞，由內核通知。

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4.總結

    本文通過介紹阻塞/非阻塞、同步/異步概念以及五種基本的I/O模型，接下來將繼續(xù)I/O基礎的介紹，也就是文件I/O和流的概念。