IO模型

输入操作包括两个阶段

• 内核等待数据到达
• 应用进程将数据从内核拷贝数据

Unix有5种IO模型

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• I/O复用(select/poll/epoll)
• 信号驱动 I/O(SIGIO)
• 异步IO

阻塞IO(BIO)

应用进程被阻塞数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区返回。

调用阻塞IO的应用进程，并不影响其他进程执行，因此这种模型的CPU利用率比较高。

结合下面这张图来深入看下阻塞IO经历的过程。
当用户进程recvfrom这个系统调用时候,kernel就开始IO的第一个阶段:准备数据。对于network io来说,很多时候数据还没有到达（比如没有收到完整的UDP包,kernel要等到收到足够的数据。而在用户进程这边，整个进程都会被阻塞。当kernel把数据准备好，它会将数据从kernel拷贝到用户内存中，然后kernal返回结果，用户进程解除阻塞状态。
BIO在执行IO的两个阶段(等待数据和拷贝数据)都被block了。

阻塞IO

/**
 * @fd 文件描述符
 * @buf 读出数据缓冲区
 * @count 请求读出字节数
 * 成功返回读取的字节数，0表示读到文件尾，失败返回-1
 */
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

recvfrom()函数原型如下.如果用在已经建立连接的socket上，需要忽略其地址和地址长度参数，即地址指针设置为NULL，地址长度设置为0.并且flag参数设置为0,就和read()的功能一样。manual 手册解释的很清楚，下面是摘录

The only difference between recv() and read(2) is the presence of flags. With a zero flags argument, recv() is generally equivalent to read(2) (but see NOTES). Also, the following call recv(sockfd, buf, len, flags);is equivalent to recvfrom(sockfd, buf, len, flags, NULL, NULL); All three calls return the length of the message on successful completion.

/**
 * @sockfd socket文件描述符
 * @buf 读取数据的缓冲区
 * @len 请求读取数据长度
 * @flags 标志位
 * @src_addr 源地址
 * @addrlen 地址长度
 * 成功返回读取字节数 失败返回-1
 */
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

非阻塞IO

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码(errorno,全局变量)。应用进程可以继续执行，但是需要不断重复执行系统调用来确定I/O 是否完成，这种方式称为轮询(polling)

在这种工作模式下，由于应用进程需要不停的进行系统调用，加大了系统的开销，导致CPU的利用效率不高。为什么系统调用开销大？

下图清楚的说明了非阻塞调用在第一阶段不断的询问内核，第二阶段阻塞等待数据从内核拷贝到进程空间

非阻塞

IO复用

复用顾名思义就是一个应用进程同时监听多个套接字连接。

具体来看通过使用 select 或者 poll 等待数据，等待多个套接字中的任何一个变为可读。这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回，之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个客户端发起Socket连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。

由下图可知第一阶段select()阻塞等待数据到来,第二阶段recvfrom()阻塞等待数据拷贝到进程空间缓冲区。这与阻塞IO模型的区别主要在于:阻塞IO调用recvfrom() 阻塞阶段从等数据到数据拷贝到用户缓冲区,需要注意其中的区别。

IO复用

信号驱动IO

本质是进程之间的通信，在内核接接受到数据之后通过信号来通知应用进程。
可以借机复习下CSAPP里面的信号部分。

应用进程注册sigalaction信号,内核立刻返回，应用进程在等待数据阶段非阻塞。当数据到达时，内核向应用程序发送SIGIO信号，应用进程在收到该信号之后，在信号处理函数中调用recvfrom() 将数据从内核复制到应用进程中。相比较非阻塞IO,信号驱动下的CPU利用率高。

信号驱动IO

异步IO

应用进程执行aio_read()系统调用立即返回，应用程序在整个IO操作不会阻塞，内核在完成所有操作之后向应用进程发送信号。

AIO和信号驱动IO区别：
AIO的信号通知应用IO完成，信号驱动IO通知进程开始IO.

异步IO

小结

• 同步IO:将数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区，应用进程会阻塞
• 异步IO:上述阶段不会阻塞

下面这张图很好总结呢五大IO模型

IO模型对比