參考 Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking”。

Stevens一共提出了五種 IO Model：

• blocking IO
• nonblocking IO
• IO multiplexing (select and poll)
• signal driven IO (SIGIO)
• asynchronous IO (the POSIX aio_functions)

先說一下IO發生時所涉及的對象和步驟。

一個輸入操作通常包括下面兩個階段：

1. 等待數據準備好 (Waiting for the data to be ready)。對于一個套接口上的輸入操作，通常涉及等待數據從網絡到達，到達后它被拷貝到內核的某個緩沖區。
2. 將數據從內核緩存區拷貝到進程緩沖區中 (Copying the data from the kernel to the process)

記住這兩個階段很重要，因為以下要討論的五種IO Model的區別就是在兩個階段上各有不同的情況。

Blocking I/O Model(阻塞I/O)

默認情況下所有的套接口都是blocking。

進程調用recvfrom，其系統調用直到數據報到達(第一階段)且被拷貝到應用進程的緩沖區中(第二階段)或者發生錯誤(最常見的錯誤是系統調用被信號中斷)才返回。進程在從調用recvfrom開始到它返回的整個過程是被阻塞的。 recvfrom成功返回后，應用進程開始處理數據報。

Nonblocking I/O Model(非阻塞I/O)

前三次調用recvfrom時數據還沒準備好，這是內核立即返回一個EWOULDBLOCK錯誤。第四次調用recvfrom時數據已準備好，它被拷貝到應用進程緩沖區，recvfrom接著成功返回，然后應用進程開始處理數據報。

這里最關鍵的一個操作就是輪詢(polling)。應用進程持續輪詢內核，以查看數據是否就緒。這樣做往往會耗費大量的CPU時間，這種模型通常會在專門提供某種功能的系統才有。

I/O Multiplexing Model(I/O復用模型)

當用戶進程調用了select，那么整個進程會被block，而同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回套接字可讀這個條件，我們調用recvfrom把所讀數據報拷貝到應用程序進程緩沖區。

和blocking IO的圖比較，I/O復用并沒有顯示出什么優勢。事實上，可能稍有劣勢。因為這里需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一個system call。但是，用select的優勢在于它可以同時處理多個connection。

Signal-Driven I/O Model(信號驅動I/O模型)

我們首先開啟套接口的信號驅動I/O功能，并通過sigaction系統調用安裝一個信號處理函數。該系統調用將立即返回，我們的進程這是并沒有被阻塞，而是繼續執行。當數據報準備好讀取時，內核就為該進程產生一個SIGIO信號。我們隨后既可以在信號處理函數中調用recvfrom讀取數據報，并通知主循環數據已準備好待處理，也可以立即通知主循環，讓它來讀取數據報。無論如何處理SIGIO信號，這種模型的優勢在于等待數據報到達(第一階段)期間，進程可以繼續執行，不被阻塞。

Asynchronous I/O Model(異步I/O模型)

進程發起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產生任何block。然后，kernel會等待數據準備完成，然后將數據拷貝到用戶內存，當這一切都完成之后，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它read操作完成了。

這個模型工作機制是：告訴內核啟動某個操作，并讓內核在整個操作(包括第二階段，即將數據從內核拷貝到進程緩沖區中)完成后通知我們。

這種模型和前一種模型區別在于：信號驅動I/O是由內核通知我們何時可以啟動一個I/O操作，而異步I/O模型是由內核通知我們I/O操作何時完成。

五種I/O模型介紹完了，下面來說說blocking和non-blocking的區別在哪，synchronous IO和asynchronous IO的區別在哪。

blocking I/Ovs non-blocking I/O ：調用blocking IO會一直block住對應的進程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準備數據的情況下會立刻返回。

synchronous I/O vs asynchronous I/O：

先看看這兩個定義：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

兩者的區別就在于synchronous IO做”IO operation”的時候會將process阻塞。按照這個定義，之前所述前四種模型blocking I/O，non-blocking I/O，IO multiplexing,signal driven IO都屬于synchronous IO。有人可能會說，non-blocking IO并沒有被block啊。這里有個非常“狡猾”的地方，定義中所指的”IO operation”是指真實的IO操作，就是例子中的recvfrom這個system call。non-blocking IO在執行recvfrom這個system call的時候，如果kernel的數據沒有準備好，這時候不會block進程。但是，當kernel中數據準備好的時候，recvfrom會將數據從 kernel拷貝到用戶內存中，這個時候(第二階段)進程是被block了，在這段時間內，進程是被block的。而asynchronous IO則不一樣，當進程發起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發送一個信號，告訴進程說IO完成。在這整個過程中，進程完全沒有被block。

各個IO Model的比較如圖所示：

前4種模型的主要區別在于第一階段，因為它們的第二階段都是一樣的：在數據從內核緩沖區拷貝到進程緩沖區期間，進程阻塞與recvfrom這個系統調用中。