UNIX五种IO模型

在UNIX环境下，有以下五种IO模型：

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

1. 阻塞式I/O

阻塞式I/O模型

程序首先调用recvfrom系统调用，recvfrom会一直阻塞至有数据到达并将数据拷贝至用户缓存空间后返回，或者在发生错误后返回。

对于阻塞式I/O，我们的程序会一直处于完全阻塞状态，直至recvfrom系统调用返回结果。

2.非阻塞式I/O

非阻塞式I/O

上图所示为一个标准的非阻塞式I/O调用过程，系统第一次调用非阻塞式的recvfrom系统调用，如果没有接收到数据，会立马返回EWOULDBLOCK，接下来会继续循环调用recvfrom系统调用，如果没有接收到数据，会立马返回EWOULDBLOCK。如果接收到了数据，会继续执行将数据从内核空间拷贝至用户空间，拷贝完成后返回OK，程序得以继续执行后续的数据操作。

非阻塞式I/O的工作方式就是会持续循环调用recvfrom，如果没有接收到数据，里面返回EWOULDBLOCK，直至接收到了数据，执行数据从内核空间到用户空间的数据拷贝，并返回。上述的循环调用recvfrom的过程称之为polling。

阻塞式I/O的循环调用，会造成CPU执行时间的浪费，因为在没有数据返回的情况下，polling的过程都是无异议的询问。

3. I/O多路复用

I/O多路复用

I/O多路复用，也称为event driven I/O，其优点在于单个线程可以同时处理多个网络连接I/O。

程序首先调用select，select会阻塞进程，期间不断轮询所负责的socket，当某个socket中的数据准备好了，select就会立即返回，通知用户进程，用户进程再调用recvfrom接收数据，将数据从内核空间拷贝至用户空间，此时recvfrom返回OK，程序再对用户发送的数据进行具体的处理。

从上面过程可以看出，进程一共有两个阻塞过程，一个是select调用过程，阻塞至某socket有数据到达；一个是用户进程再收到select的数据通知后，调用recvfrom接收数据，将数据从内核空间拷贝至用户空间的过程。

当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术。

I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select调用阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。

与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降底了系统的维护工作量，节省了系统资源。

以上分析了阻塞式、非阻塞式、I/O多路复用几种I/O方式，从调用方式上看，无论是非阻塞式I/O（系统不断轮询数据情况，直至数据准备完毕），还是I/O多路复用（通过select调用，用单个进程监控所有网络连接请求，并在请求数据准备好后，通知具体socket，执行阻塞式I/O的数据接收过程），都是系统在顺序且同步等待网络数据的到达，而后执行数据接收，拷贝的过程，只是在获取连接数据准备的状况时使用了不同的方案。

所以，以上三种I/O方式都是同步阻塞式I/O。

4.信号驱动I/O

信号驱动I/O

首先调用sigaction系统调用，建立起 signal-driven I/O的socket，并设置一个信号处理函数，该系统调用不会阻塞，立即返回。

当数据准备完毕时，程序会收到一个SIGIO的通知信号，此时我们可以再信号处理函数中调用redvfrom接收数据，并进行具体的数据处理流程。

5.异步I/O

异步I/O

我们首先调用aio_read系统调用，该调用为非阻塞式的，会立即返回。当socket的数据准备好后，会自动执行数据拷贝过程，并将数据准备完毕的信号发送给用户进程，此时会执行之前设置的信号处理函数，进行用户数据的异步处理。

6. 几种I/O方式的比较

几种I/O方式的比较

参考资料：
Addison Wesley : UNIX Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking API