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1.6 I/O模型相关概念

1.6.1 同步/异步–消息通知机制

关注的是消息通信机制，即调用者在等待一件事情的处理结果时，被调用者是否提供完成状态的通知。

• 同步：synchronous，被调用者并不提供事件的处理结果相关的通知消息，需要调用者主动询问事情是否处理完成
• 异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态

1.6.2 阻塞/非阻塞–等待时的状态

关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

• 阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起，干不了别的事情。
• 非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，而无需等到IO操作彻底完成，在最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起，可以去做别的事情。

1.7 网络I/O模型

• 阻塞I/O模型
• 非阻塞I/O模型
• 复用I/O模型
• 信号驱动I/O模型
• 异步I/O模型

1.7.1 阻塞型I/O模型（blocking IO）

​ 阻塞I/O模型中，进程发起一个I/O操作（如读取文件或网络数据）后，会被挂起（即阻塞），直到操作完成或数据准备好才会返回。在此期间，进程无法执行任何其他任务。它是最简单的模型，但效率低下，尤其在多连接场景下容易导致资源浪费。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O调用后，被操作系统挂起，直到数据完全就绪并拷贝到用户空间才唤醒。

3.特点

• 简单易用，编程模型直观
• 全程阻塞进程，无法处理并发
• CPU利用率低（等待时不执行任何任务）
• 进程发起I/O操作后被挂起，直到内核完成数据准备与拷贝
• 调用线程处于SLEEP状态，不占用CPU

4.优缺点

• 优点：

  • 编程简单直观（如read()调用后等待返回）

  • 无额外状态检测逻辑

• 缺点：

  • 严重资源浪费：单线程阻塞时无法处理其他任务

  • 并发能力为0：每连接需独立线程/进程，万级连接崩溃

1.7.2 非阻塞型I/O模型 (nonblocking IO)

​ 非阻塞I/O模型中，进程发起I/O操作后立即返回一个状态（如“数据未就绪”），进程不会被阻塞，而是可以继续执行其他任务。但进程需要不断轮询（检测）I/O状态，直到数据准备好。这避免了无限期等待，但轮询会消耗额外CPU资源，可能导致CPU空转。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O调用后立即返回状态（成功或EWOULDBLOCK错误），需轮询检查就绪状态。

3.特点

• 进程不被挂起，可执行其他任务
• 轮询消耗大量CPU资源（忙等待）
• 延迟高（数据就绪后仍需等待轮询发现）

4.优缺点

• 优点：

  • 进程不被阻塞，可执行其他计算任务

  • 避免单点无限等待

• 缺点：

  • 高CPU空转消耗：轮询占用大量CPU时间

  • 响应延迟：数据就绪后仍需等待轮询发现

1.7.3 多路复用I/O型（I/O multiplexing）

​ 复用I/O模型（也称为多路复用）使用一个系统调用（如select、poll或epoll）同时监控多个I/O描述符（如多个网络连接）。当任何一个描述符的数据准备好时，系统调用返回，进程可以处理已就绪的I/O。它减少了轮询开销，适合高并发场景，但实现较复杂，且在数据准备好后仍需进程主动读取。

1.流程图

2.技术本质

通过单一线程监控多个I/O描述符（如select/poll/epoll），仅当有描述符就绪时唤醒进程。

3.特点

• 高并发支持（单线程处理千级连接）
• 避免忙等待，CPU利用率高
• 就绪后仍需同步读写数据（本质仍是同步I/O）
• 编程复杂度较高（需管理多个描述符）

4.优缺点

• 优点：

  • 高并发支持：单线程管理万级连接（如Nginx）

  • 低CPU消耗：无忙等待，内核通知就绪事件

  • 避免多线程上下文切换开销

• 缺点：

  • 编程复杂（需管理事件队列与状态机）

  • 数据就绪后仍需同步读写（本质仍为同步I/O）

5.I/O多路复用适用场合

• 当客户端处理多个描述符时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用
• 当一个客户端同时处理多个套接字时，此情况可能的但很少出现
• 当一个服务器既要处理监听套接字，又要处理已连接套接字，一般也要用到I/O复用
• 当一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用
• 当一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用

1.7.4 信号驱动式I/O模型 (signal-driven IO)

​ 信号驱动I/O模型中，进程发起I/O操作后立即返回，内核在数据准备好时发送一个信号（如SIGIO）通知进程，进程随后读取数据。进程无需轮询，而是由信号事件驱动，提高了效率。但它依赖于信号处理机制，信号处理函数可能复杂，且信号可能丢失或延误。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O调用后立即返回，内核在数据就绪时发送信号（如SIGIO） 通知进程。

3.特点

• 无轮询开销，由事件驱动
• 信号处理函数需避免阻塞操作
• 信号可能丢失或延迟（不可靠）
• 大流量场景信号队列可能溢出

4.优缺点

• 优点：

  • 无轮询开销，由事件驱动响应

  • 进程可专注计算任务

• 缺点：

  • 信号可靠性差：可能丢失或延迟（尤其高并发时）

  • 信号处理函数中不可调用非异步安全函数

  • 跨平台兼容性差（如Windows不支持）

1.7.5 异步I/O模型 (asynchronous IO)

​ 异步I/O模型中，进程发起I/O请求后立即返回，内核负责整个I/O操作（包括数据和缓冲区的处理），并在完成后通知进程（如通过回调函数）。进程完全不被阻塞，“真正异步”。它提供最高效率，但实现复杂，依赖操作系统支持（如Linux的aio或Windows的IOCP）。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O请求（如aio_read）后立即返回；内核负责全程操作（包括数据拷贝），完成后回调通知进程。

3.特点

• 进程全程无阻塞（真异步）
• 最高效的I/O模型（零等待时间）
• 实现复杂（需回调函数/事件循环）
• 操作系统支持有限（如Linux的io_uring才趋成熟）

4.优缺点

• 优点：

  • 零阻塞：进程全程无需等待

  • 最高效资源利用：CPU与I/O完全并行

  • 适用于海量高吞吐场景（如数据库日志写入）

• 缺点：

  • 编程复杂度高（需异步回调链或协程）

  • 操作系统支持有限（Linux的io_uring仍处演进阶段）

1.8 五种IO对比

这五种I/O模型中，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优前四种属于同步 I/O，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配