Unix下可用的5种I/O模型：

• 阻塞式I/O
• 非阻塞式I/O
• I/O复用
• 信号驱动式I/O
• 异步I/O

阻塞式I/O

最流行的I/O模型是阻塞式I/O模型，默认情况下，所有套接字都是阻塞的。

阻塞式I/O.jpg

非阻塞式I/O

进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所有请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把本进程投入睡眠，而是返回一个错误。

阻塞式I/O.jpg

如图前2次调用recvfrom时没有数据返回，因此内核转而立即返回一个
EWOULDBLOCK错误，第3次调用时已有一个数据报准备好，它将被复制到应用进程缓冲区，于是recvfrom成功返回。

像这样的过程我们称之为轮询，应用进程持续轮询内核，已查看某个操作是否就绪，这样往往耗费大量CPU资源。

I/O复用

I/O复用.jpg

select/epoll的好处就在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这些函数会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

以select为例，当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时，内核会“监视”所有select负责的fd，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程。

I/O复用和阻塞式I/O相比不显得有什么优势，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select 和 recvfrom)，而阻塞式I/O只有一个统调用(recvfrom)。
但是用select的优势在于它可以同时处理多个connection。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking。但是，如上图所示，整个用户的进程其实是一直被阻塞的。只不过进程是被select这个函数阻塞，而不是被socket IO给阻塞。

与I/O复用密切相关的另一种I/O模型是在多线程中使用阻塞式I/O。这种模型与上述模型即为相似，但它没有使用select阻塞在多个文件描述符上，而是调用多个线程(每个文件描述符一个线程)。

信号驱动

信号驱动.png

首先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理函数。该系统调用将立即返回，进程继续工作。

当数据报准备好读取时，内核将为该进程产生一个SIGIO信号。然后在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报。

这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不会被阻塞。

异步I/O模型

一般的说，异步I/O工作机制：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到我们自己的缓冲区）完成后通知我们。

它和信号驱动式I/O区别是：信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作， 而异步I/O模型而是由内核通知我们I/O操作何时完成。

异步I/O模型.jpg

同步I/O和异步I/O对比

• 同步I/O 导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。
• 异步I/O 不会导致请求被阻塞。

总结.png

根据上述定义，前4种模型-- 阻塞式I/O模型，非阻塞式I/O模型，I/O复用模型和信号驱动式I/O模型都是同步I/O模型，因为其中真正的I/O操作将阻塞进程。只有异步I/O模型与POSIX定义的异步I/O相匹配。

• 附：关于同步和异步更广泛的理解

  同步和异步关注的是消息通信机制。

  所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但一旦调用返回，就得到返回值。意思是：调用者主动等待调用结果。

  而异步则是相反，调用在发出之后，就立即返回，调用者并不一定会立即得到结果。意思是：被调用者通过状态，通知来告知知调用者结果。

  阻塞与非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态。

  阻塞调用是指在调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回。

  非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

参考资料
[1]《UNIX 网络编程》3th [美] W.Richard Stevens，Bill Fenner，Andrew M. Rudoff
[2] https://www.zhihu.com/question/19732473