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IO 其實就是 Input 和 Output，在操作系統中就對應數據流的輸入與輸出。這個數據流的兩端，可以是文件，也可以是網絡的一臺主機。但無論是文件，還是網絡主機，其傳輸都是類似的，我們今天就以源頭為文件進行說明。

一個文件要從磁盤到我們的內存，需要經過很復雜的操作。首先，需要將數據從硬件讀取出來，然后放入操作系統內核緩沖區，之后再將數據拷貝到程序緩沖區，最后應用程序才能讀取到這個文件。簡單地說，無論什么 IO 模型，其讀取過程總會經歷下面兩個階段：

• 等待數據到達內核緩沖區
• 從內核緩沖區拷貝數據到程序緩沖區

而我們 Linux 根據這兩個階段的是否阻塞，分成了 5 個經典的 IO 的模型，分別是：

• 阻塞 IO 模型
• 非阻塞 IO 模型
• IO 復用模型
• 信號驅動 IO 模型
• 異步 IO 模型

阻塞 IO 模型

阻塞 IO 稱為 Blocking IO，簡稱 BIO。在阻塞 IO 模型中，當進程發起一個讀取文件請求(recvfrom 系統調用)時，如果內核緩存區沒有對應的數據，那么它不會立刻恢復，而是去讀取磁盤數據，當數據讀取完畢后，再返回給進程。此時，第一個階段完成。在這個階段進程是阻塞的，因為它要等待內核將數據讀取到內核緩沖區。

而當進程收到內核的響應之后，進程再把數據從內核緩沖區復制到程序緩沖區，最后完成文件讀取操作。此時，第二個階段完成。在這個階段進程也是阻塞的，因為它要將數據從內核緩沖區拷貝到程序緩沖區。

簡單地說：在阻塞 IO 模型里，從硬件到系統內核、從系統內核到程序空間，都是阻塞的。

非阻塞 IO 模型

在非阻塞 IO 模型下，當一個請求發起讀取文件請求(recvfrom)時，如果內核緩沖區沒有數據，那么內核會讀取文件數據。但此時請求并不會阻塞，而是返回一個錯誤信息(EWOULDBLOCK)告訴進程：數據暫時還沒準備好，你待會兒再試試。

于是進程就不斷地向內核重試，問：數據準備好了沒有，數據準備好了沒有……當內核準備好數據，進程就會收到對應消息，于是第一階段就結束了。非阻塞 IO 中的非阻塞說的就是進程不會阻塞在這里，而是會不斷重試。

雖然說這樣并沒有太大用處，反而會使得 CPU 空轉，但總比之前有了一點進步。在這個階段進程并不是阻塞的。當進程得知內核準備好數據之后，其便會將數據從內核緩沖區拷貝到程序緩沖區。這個階段與阻塞 I/O 模型是完全一樣的，同樣是會導致進程阻塞。

簡單地說：在非阻塞 IO 模型里，從硬件到系統內核、從系統內核到程序空間，同樣都是阻塞的。但是其比阻塞 IO 爭氣了一點，并不是站在那里不動，好歹還跑了一下。雖然是在做無用功，但是好歹提高了一丟丟效率。

IO 復用模型

IO 復用之所以叫復用，是因為其能同時操作多個數據流。而前面的 阻塞 IO、非阻塞 IO 同一時間只能操作一個數據流。在 IO 復用模型中，進程監聽多個數據流并阻塞，當任何一個數據流有數據之后，其便會收到內核的響應。此時，第一個階段完成，在這個階段進程其實是阻塞的。

而當收到內核的響應后，進程便會將數據從內核緩沖區復制到程序緩沖區。這個階段與上面兩個模型一模一樣，進程同樣阻塞。

簡單地說：IO 復用模型在第二階段與阻塞 IO 和非阻塞 IO 是完全一致的。但是在第一階段上，其有效率上的巨大提升，其能同時輪詢多個數據流，提高了效率。

信號驅動 IO 模型

信號驅動與前面幾個模型的不同之處就在于信號這個詞。信號驅動 IO 在第一階段，即數據到達內核緩沖區之前，進程是不阻塞的，而是設置一個信號回調。當數據到達內核緩沖區之后，內核調用程序的回調。通過這種方式，信號驅動 IO 下的進程就可以不阻塞，可以去做其他事情了。

而當進程收到信號，進程再將數據從內核緩沖區復制到程序緩沖區。這個過程與上面幾個是完全一樣的，同樣也是阻塞的。

信號驅動 IO 可以說是 IO 讀取的一個里程碑，其真正實現了異步讀取數據。信號驅動 IO 其二個階段，與上面幾個是一樣的。但是其在第一個階段做到了真正的異步。信號驅動 IO 在第一階段，其去請求內核讀取數據，這時候其不會阻塞，也不會去尋輪，而是設置一個信號回調。 當數據完全拷貝到系統內核時，系統發出 SIGIO 信號，通知進程去進行第二階段，將數據拷貝到程序緩沖區。

異步 IO 模型

異步 IO 相比前面幾個流程，真正做到了完全非阻塞。無論是在第一階段，還是在第二階段都是非阻塞。與信號驅動 IO 類似，異步 IO 模型通過信號回調的方式，在第一個階段實現了進程的非阻塞。而當數據到達內核緩沖區之后，進程便會收到通知。

而當進程收到通知之后，進程再次將數據從內核緩沖區復制到進程緩沖區，但這時進程并不等待，而是同樣設置一個信號回調。當復制完成后，進程收到通知，再進行相應的處理。

異步 IO 與信號驅動 IO 相比，做得更加徹底了!

異步 IO 不僅僅是在第一階段實現了信號回調，其也在第二階段實現了信號回調，從而完全實現了異步 IO 操作。

總結

我們回顧一下這 5 種 IO 模型，按照其在兩個階段的特點區分：

• 阻塞 IO 模型：硬件到系統內核，阻塞。系統內核到程序空間，阻塞。
• 非阻塞 IO 模型：硬件到系統內核，輪詢阻塞。系統內核到程序空間，阻塞。
• 復用 IO 模型：硬件到系統內核，多流輪詢阻塞。系統內核到程序空間，阻塞。
• 信號驅動 IO 模型：硬件到系統內核，信號回調不阻塞。系統內核到程序空間，阻塞。
• 異步 IO 模型：硬件到系統內核，信號回調不阻塞。系統內核到程序空間，信號回調不阻塞。

從上面的 5 種 IO 模型，我們可以看出，真正實現異步非阻塞的只有異步 IO 這種模型，而其他四種都是同步性 IO。因為在第二階段：從內核緩沖區復制到進程緩沖區的時候，不可能干其他事情。

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