用生活中的小事谈谈什么是Linux的五种IO模型

用生活中的小事谈谈什么是Linux的五种IO模型

首先我们要知道，Linux有哪些IO模型呢？
他们分别是，阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动IO模型、异步IO模型。

那什么是IO呢？
IO就是指文件的输入和输出

那实现一个怎样的过程才能称为一次IO呢？
拿从磁盘读取文件为例，就是将文件读取到内存中，即完成从硬件到用户空间的一个过程。

java中的“IO”与系统层面的IO模型有什么不同呢？
java中的阻塞IO（BIO）、非阻塞IO（NIO）、异步IO（AIO）其实只是IO提供的API接口，对于系统层面的IO作了一个封装，当需要时，只需要调用就行，程序员不用考虑系统层面的东西，不需要因为系统不同，写不一样的代码。

在一篇公众号推文上，作者用钓鱼来解释了关于IO的五种模型，简单易懂，我们也就借着这个例子解释一下吧。

在讲之前需要我们明白钓鱼过程和文件读取有什么关系呢？
池塘相当于磁盘，小鱼相当于想要的文件，钓鱼的鱼钩相当于内核空间，渔笼相当于用户空间。一次完整的钓鱼过程（IO操作），是小鱼（文件）从鱼塘（磁盘）转移到（拷贝）到渔笼（用户空间）的过程。

阻塞IO模型

钓鱼的时候，只要我们端着小板凳等着鱼上钩，等到有小鱼咬鱼钩，就将鱼钓起来，放在鱼笼，然后在去钓鱼。

影射在操作系统上，这就是最简单的阻塞IO模型，表现为进程或线程等待某个条件，当条件不满足是，一直等待，直到条件满足。具体表现为，应用进程通过recvfrom系统调用接受数据，但因为内核还没有准备好，就会一直处于阻塞状态，当内核准备好数据，recvfrom就会复制数据报，当其完成复制，应用才会结束阻塞状态。（完成复制也就是将鱼放在了鱼笼里）

优点：实现简单，不需要特殊工具
缺点：时效性低，并发低（当需求较小时比较适合）

非阻塞IO模型

当钓鱼时，我们可以做一些其他事情，比如听歌玩玩游戏，但是呢，我们也要时不时的看一下鱼竿，一旦发现，有鱼上钩，就要把鱼调上来，然后在去钓鱼。

映射在操作系统上，就是非阻塞IO模型。表现为进程在与内核交互的过程中不再一眛等待，而是直接返回，然后不断轮询，等内核准备好。具体表现为，应用进程通过不断发送recvfrom系统调用与内核进行交互，直到内核准备好数据，当内核没有准备好时会返回error,等过段时间在发送，这段时间间隔内进程可以做其他事情。

特点：使用的工具没有什么变化，时间利用率增加。

信号驱动IO模型

钓鱼时，我们可以去做其他事情，但是不用时不时去看看，我们可以给鱼竿上面安装一个警报器，当>有鱼咬鱼竿时，警报器报警，这个时候，我们去看鱼竿，把鱼钓上来，然后在去钓鱼。

映射在操作系统上，就是信号驱动IO模型。表现为应用进程在读取文件时告知内核，如果某个socket的某个事件发生变化时，给我发送一个信号，在收到信号时，该信号会被相应的信号函数处理，进行后续操作。具体表现为，应用进程预先向内核注册一个信号处理函数，内核通过用户进程返回并且不阻塞，当内核准备好数据，会向进程发送信号，当信号处理函数接受信号后，会通过recvfrom系统调用复制数据，拷贝到用户空间中。

特点：实现起来复杂了些

IO复用模型

钓鱼时，为了保证在最短时间内，钓上来更多的鱼，我们可以多方一些鱼竿，看到哪个鱼竿有鱼就把他钓上来，然后在去钓鱼。

映射在操作系统上，就是IO复用模型。表现为多个进程的IO注册到一个管道中，由这个管道统一和内核交互，当有一个请求的数据准备好时，就进行数据复制拷贝到用户空间。具体表现为，多个进程的IO注册到select函数上，当用户进程调用select函数时，select会自动监控所有注册在上面的IO，如果
所有监听IO需要的数据都没有准备好，select调用进程会阻塞，如果有一个IO需要的数据准备好时，select调用就会返回，然后进程在通过recvfrom复制数据。（完成后需要再次发送请求拷贝文件）

究竟什么是同步什么是异步呢？
同步与异步关注的是一种消息通知机制。
同步简单来说，就是请求者主动等待请求结果。
异步简单来说，像你打电话问书店老板，还有没有《小王子》这本书啊，老板挂掉电话等他查到之后，给你电话告诉你有没有。

以上都属于同步（对于信号驱动模型，可以认为数据准备阶段是异步的，但数据的拷贝是同步的）
无论以何种方式钓鱼，都需要人工干预。

异步IO模型

如果我们有一个智能鱼竿，可以自动完成整个钓鱼过程，并将鱼放在鱼笼里面，告诉我们鱼已经钓到了，然后又自己钓鱼。

映射在操作系统上，就是异步IO模型。表现为，应用进程将请求发送给内核后由内核完成数据的复制操作，等全部完成之后，发送信号告诉应用进程本次IO已经完成。具体表现为，用户进程发起aio_read操作之后，将给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小等，并告诉内核以何种方式通知我已经完成数据复制，然后就立刻去作其他事情，当内核接受到aio_read后，立刻返回，然后内核就开始等待数据准备，数据准备完成，直接将准备好的数据复制到用户空间，然后通知进程本次IO完成。