五种 IO 模型
一共有五种 IO 模型
- 阻塞 IO
- 非阻塞 IO
- 多路复用 IO
- 信号驱动 IO
- 异步 IO
其中，前面4种是同步IO，最后一个是异步IO
IO 简述
IO (Input/Output，输入/输出)即数据的读取（接收）或写入（发送）操作，通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间<-->内核空间、内核空间<-->设备空间（磁盘、网络等）。IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。
LINUX中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求kernel来协助完成I/O动作；内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。
对于一个输入（读取到内存）操作来说，进程IO系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备中读取，因为设备IO一般速度较慢，需要等待；内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。
所以，对于一个网络输入（读取网络资源）的操作，通常包括两个部分
- 等待网络数据到达网卡 --> 读取到
内核空间(这个过程就是准备数据) - 从内核缓冲区复制数据到
进程空间 - 然后具体的用户函数，把结果返回。
IO 操作发生时一般涉及两个对象，一个是调用这个IO的 process (or thread) ，另一个就是系统内核 (kernel)。
IO 模型介绍
我们在介绍IO模型的时候，是根据IO操作的两个阶段，是否被锁了来分类的。
下面我们使用获取一个网络资源来举例（读取数据），假设是 read 方法。
阻塞 IO
- 准备数据阶段（用户进程阻塞）
- 复制数据阶段（用户进程阻塞）
当用户进程在读取一个网络资源的时候，内核就开始了IO的第一个阶段：准备数据。
对于网络IO来说，数据一开始还没有准备好（比如还没有收到完整的UDP包），这个时候内核就要等待足够数据到来。
当数据没有准备好，在用户进程这边，用户的进程就会被阻塞，一直等待数据准备好。
当数据准备好了（数据在内核空间中），然后就需要把数据复制到用户进程空间，在复制数据的这个过程中，用户进程仍然是阻塞的。
总结：阻塞IO，就是指当调用读取数据的函数（比如 read），这个函数不立马返回结果，而是阻塞当前进程，直到数据被复制到用户进程空间或者是超时出错才解除阻塞，并返回结果。
缺点：实际上，除非特别指定，几乎所有的IO接口 ( 包括socket接口 ) 都是阻塞型的。这给网络编程带来了一个很大的问题，如在调用 recv(1024) 的同时，线程将被阻塞，在此期间，线程将无法执行任何运算或响应任何的网络请求。
一个简单的解决方案
使用多线程或者多进程，多线程（或多进程）的目的是让每个连接都拥有独立的线程（或进程），这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。或者是使用线程池，进程池。
非阻塞 IO
- 准备数据阶段（用户进程非阻塞）
- 复制数据阶段（用户进程阻塞）
如果采用非阻塞的方式读取数据，当用户调用 read 方法的时候。
如果数据还没有准备好，内核就立马返回一个结果给用户进程（error），用户进程不会阻塞，用户知道数据还没有准备好，那么就可以过一段时间再调用 read 方法进行获取数据，而且在两次 read 的时间间隔中，用户进程还可以做其他操作。
一旦数据准备好了（在内核空间中），而且恰好用户调用了 read 方法，那么数据就会被复制到用户进程空间并返回给用户，复制到用户进程空间这个过程也是阻塞的。
总结：在非阻塞 IO 中，用户在调用 read 方法后，进程没有被阻塞。内核会立马返回数据给进程，这个数据可能是error提示，也可能是最终的结果。如果要得到最终的结果，就需要用户进程主动的多次调用 read 方法。
重复调用 read 方法的过程，称为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，==拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态==。
缺点：轮询调用 read 是很费CPU资源的，所以一般我们会在代码中加入 time.sleep(2)。但是加入了 sleep 以后，任务的执行时间长了，因为我们不确定，任务多久执行完成。
多路复用 IO
暂时不考虑
信号驱动 IO
当调用 read 函数的时候，准备数据的过程中用户线程不阻塞，用户线程可以去做其他事情。等到数据准备完了，用户进程会收到一个SIGIO信号，然后可以在信号处理函数中处理数据。
复制数据的阶段，仍然是阻塞的。
异步 IO
相对于同步IO，异步IO不是顺序执行的。用户调用 read 之后，准备数据阶段和复制数据阶段，都是非阻塞的。
数据准备好了后，内核直接复制数据给用户进程空间，然后从内核向进程发送通知，然后用户进程处理数据。
