相关概念
同步和异步
描述的是用户线程与内核的交互方式：
- 同步是指用户线程发起 I/O 请求后需要等待（阻塞）或者轮询内核 I/O 操作（非阻塞）完成后才能继续执行；
- 异步是指用户线程发起 I/O 请求后仍继续执行，当内核 I/O 操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数
同步与异步一般是面向操作系统和应用程序对 IO 操作的层面上来区别的
同步时：应用程序会直接参与 IO 读写操作，并且应用程序会直接阻塞到某一个方法上，直到数据准备就绪；或者采用轮询的策略实时检查数据的就绪状态，如果就绪则获取数据
异步时：所有的 IO 读写操作交给操作系统处理，与应用程序没有直接关系，程序不需要关心 IO 读写，当操作系统完成 IO 读写操作时，会给应用程序发送通知，应用程序直接拿走数据即可
同步 / 异步描述的是执行 IO 操作的主体是谁，同步是由用户进程自己去执行最终的 IO 操作。异步是用户进程自己不关系实际 IO 操作的过程，只需要由内核在 IO 完成后通知它既可，由内核进程来执行最终的 IO 操作
阻塞和非阻塞
描述的是用户线程调用内核 I/O 操作的方式：
- 阻塞是指 I/O 操作需要彻底完成后才返回到用户空间；
- 非阻塞是指 I/O 操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到 I/O 操作彻底完成
阻塞 / 非阻塞描述的是函数，指访问某个函数时是否会阻塞线程
I/O 的两个阶段
阶段 1：等待数据就绪（发起 IO 请求）。网络 I/O 的情况就是等待远端数据陆续抵达；磁盘 I/O 的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中
阶段 2：数据拷贝（实际 IO 操作）。出于系统安全，用户态的程序没有权限直接读取内核态内存，因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中
同步 IO 和异步 IO 的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的 IO 读写阻塞请求进程，那么就是同步 IO，因此阻塞 IO、非阻塞 IO、IO 复用、信号驱动 IO 都是同步 IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完 IO 操作再将结果返回给你，那么就是异步 IO
阻塞 IO 和非阻塞 IO 的区别在于第一步，发起 IO 请求后是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞 IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞 IO
同步与阻塞区别：
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同步和异步关注的是消息通信机制。同步在发出调用后，没得到结果之前不返回，但是一旦返回，就是调用结果；异步是调用发出后立即返回，但是没有返回结果，直到被调用者通过状态、通知、回调函数来通知调用者
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阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态。阻塞是指结果返回之前，当前线程会被挂起；非阻塞是指不能立即得到结果时，线程不会被阻塞
IO 就绪和完成的区别：就绪指的是还需要用户自己去处理，完成指的是内核帮助完成了，用户不用关心 IO 过程，只需要提供回调函数
select / poll / epoll 从本质上说都是同步非阻塞 IO，select 会收到 IO 就绪的状态，然后通知用户去处理 IO，实际的 IO 操作还需要用户等待内核复制操作
同步非阻塞 IO 指的是用户调用读写方法是不阻塞的，立刻返回的，而且需要用户线程来检查 IO 状态。需要注意的是，如果发现有可以操作的 IO，那么实际用户进程还是会阻塞等待内核复制数据到用户进程，它与同步阻塞 IO 的区别是后者全程等待
异步非阻塞 IO 指的是用户调用读写方法是不阻塞的，立刻返回，而且用户不需要关注读写，只需要提供回调操作，内核线程在完成读写后回调用户提供的 callback
五种 I/O 模型简述
- 阻塞 I/O 模型（同步阻塞）
老李去火车站买票，排队三天买到一张退票
耗费：在车站吃喝拉撒睡 3 天，其他事一件没干
Blocking IO
- 非阻塞 I/O 模型（同步非阻塞）
老李去火车站买票，隔 12 小时去火车站问有没有退票，三天后买到一张票
耗费：往返车站 6 次，路上 6 小时，其他时间做了好多事
Nonblocking IO
socket 设置为 NONBLOCK（非阻塞）就是告诉内核，当所请求的 I/O 操作无法完成时，不要将进程睡眠，而是返回一个错误码（EWOULDBLOCK），这样请求就不会阻塞
I/O 操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。整个 I/O 请求的过程中，虽然用户线程每次发起 I/O 请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的 CPU 的资源
数据准备好了，从内核拷贝到用户空间
一般很少直接使用这种模型，而是在其他 I/O 模型中使用非阻塞 I/O 这一特性。这种方式对单个 I/O 请求意义不大，但给 I/O 多路复用铺平了道路
- I/O 复用模型（同步阻塞）
老李去火车站买票，委托黄牛，等着黄牛拿票。黄牛买到后即通知老李去领，然后老李去火车站交钱领票
select
黄牛不断去轮询各个渠道问有没有票，轮询渠道数有限制，1024 个
poll
同样去轮询各个渠道，但是渠道数没限制
epoll
黄牛不轮询了，而是渠道有票数变化时才动身
耗费：往返车站 1 次，路上 1 小时，黄牛手续费 100 元，看起来比阻塞 I/O 更贵，但是 1 个黄牛可以同时处理好几个客户的票啊
IO Multiplexing
I/O 多路复用会用到 select、poll 或者 epoll 函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的是，这三个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数
I/O 多路复用模型使用了 Reactor 设计模式实现了这一机制
select/poll 方法由一个用户态线程负责轮询多个 socket，直到某个阶段 1 的数据就绪，再通知实际的用户线程执行阶段 2 的拷贝。通过一个专职的用户态线程执行非阻塞 I/O 轮询，模拟实现了阶段一的异步化。而 epoll 函数不轮询，而是采用回调函数机制
从流程上来看，使用 select 函数进行 IO 请求和同步阻塞模型没有太大的区别（只不过是被 select 阻塞，而不是被 recvfrom 阻塞），甚至还多了添加监视 socket，以及调用 select 函数的额外操作，效率更差。但是，使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 IO 请求。用户可以注册多个 socket，然后不断地调用 select 读取被激活的 socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个 IO 请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的
如果处理的连接数不是很高的话，使用 select/epoll 不一定比使用 multi-threading + blocking IO 的性能更好，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
- 信号驱动 I/O 模型（同步非阻塞）
老李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知老李，然后老李去火车站交钱领票
耗费：往返车站 2 次，路上 2 小时，免黄牛费 100 元
Signal Driven IO
首先允许 socket 进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据
- 异步 I/O 模型（异步非阻塞）
老李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知老李并快递送票上门
耗费：往返车站 1 次，路上 1 小时，免黄牛费 100 元
Asynchronous IO
调用 aio_read 函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序
异步 I/O 模型使用了 Proactor 设计模式实现了这一机制
五种 I/O 模型比较
五种 I/O 模型比较
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