對(duì)于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)來說，普通的 I/O 操作一般會(huì)被內(nèi)核緩存，這種 I/O 被稱作緩存 I/O。緩存 I/O 又被稱作標(biāo)準(zhǔn) I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn) I/O 操作都是緩存 I/O。在 Linux 的緩存 I/O 機(jī)制中，操作系統(tǒng)會(huì)將 I/O 的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁緩存（ page cache ）中，也就是說，數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。
(1) 對(duì)于讀操作來說，當(dāng)應(yīng)用程序嘗試讀取某塊數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果這塊數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在了頁緩存中，那么這塊數(shù)據(jù)就可以立即返回給應(yīng)用程序，而不需要經(jīng)過實(shí)際的物理讀盤操作。當(dāng)然，如果數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序讀取之前并未被存放在頁緩存中，那么就需要先將數(shù)據(jù)從磁盤讀到頁緩存中去。一個(gè)典型的讀取磁盤中數(shù)據(jù)的流程圖如下所示：
(2) 對(duì)于寫操作來說，應(yīng)用程序也會(huì)將數(shù)據(jù)先寫到頁緩存中去，數(shù)據(jù)是否被立即寫到磁盤上去取決于應(yīng)用程序所采用的寫操作機(jī)制：如果用戶采用的是同步寫機(jī)制（ synchronous writes ）, 那么數(shù)據(jù)會(huì)立即被寫回到磁盤上，應(yīng)用程序會(huì)一直等到數(shù)據(jù)被寫完為止；如果用戶采用的是延遲寫機(jī)制（ deferred writes ），那么應(yīng)用程序就完全不需要等到數(shù)據(jù)全部被寫回到磁盤，數(shù)據(jù)只要被寫到頁緩存中去就可以了。在延遲寫機(jī)制的情況下，操作系統(tǒng)會(huì)定期地將放在頁緩存中的數(shù)據(jù)刷到磁盤上。與異步寫機(jī)制（ asynchronous writes ）不同的是，延遲寫機(jī)制在數(shù)據(jù)完全寫到磁盤上的時(shí)候不會(huì)通知應(yīng)用程序，而異步寫機(jī)制在數(shù)據(jù)完全寫到磁盤上的時(shí)候是會(huì)返回給應(yīng)用程序的。所以延遲寫機(jī)制本身是存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)的，而異步寫機(jī)制則不會(huì)有這方面的擔(dān)心。
緩存 I/O 優(yōu)點(diǎn)：
緩存I/O缺點(diǎn)：
網(wǎng)絡(luò)IO的本質(zhì)就是socket的讀取，socket在linux系統(tǒng)被抽象為流，IO可以理解為對(duì)流的操作。文章開始的時(shí)候也提到了，對(duì)于一次IO訪問（以read為例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間中。
所以說，當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
第一個(gè)階段：等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
第二個(gè)階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中
對(duì)于socket流而言：
第一步：通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)，然后復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)。
第二步：把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)。
Linux環(huán)境下的五種IO Modle: blocking IO, nonblocking IO, IO multiplexing, signal driven IO, asynchronous IO. 其中前四種比較常見。
(1) blocking IO
在阻塞IO模型中，從調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)獲取數(shù)據(jù)開始到得到數(shù)據(jù)，當(dāng)前的進(jìn)程或者線程始終是處于阻塞狀態(tài)的，也就是什么都不干，直到等完數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好和將數(shù)據(jù)搬遷到用戶空間為止：
1) 用戶首先發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)希望獲取數(shù)據(jù)；
2) 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)進(jìn)入內(nèi)核檢查是否有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，如果沒有就一直等待；
3) 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢的時(shí)候會(huì)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間；
4) 拷貝完畢返回一個(gè)獲取數(shù)據(jù)成功的返回值來告訴用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理了；在此期間，用戶進(jìn)程或者線程一直是處于阻塞狀態(tài)的，無論是等待數(shù)據(jù)還是進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝；
(2) nonblocking IO
和阻塞式的IO模型不同，當(dāng)發(fā)出了系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，如果這時(shí)候數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，進(jìn)程或線程并不會(huì)進(jìn)入阻塞模式一直等待，而是會(huì)反復(fù)輪詢“數(shù)據(jù)好沒…數(shù)據(jù)好沒…數(shù)據(jù)好沒…”，這是比較耗CPU資源的，而當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后會(huì)和阻塞IO模型一樣進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝：
1) 首先用戶發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用，去向內(nèi)核申請獲取想要的數(shù)據(jù)；
2) 內(nèi)核檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，就會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤值；
3) 用戶接收到錯(cuò)誤值并不甘心，就會(huì)反復(fù)反復(fù)詢問內(nèi)核是否有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；
4) 內(nèi)核一直檢查直到有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬遷，這時(shí)用戶會(huì)進(jìn)入阻塞等待狀態(tài)等待數(shù)據(jù)拷貝完畢；
5) 數(shù)據(jù)提取到用戶空間之后會(huì)返回一個(gè)成功狀態(tài)通知用戶數(shù)據(jù)完畢，這時(shí)用戶就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理了；
(3) IO multiplexing
既然是復(fù)用，說明一次性可以管理或處理多個(gè)IO，主要是靠select函數(shù)或者poll(epoll)函數(shù)來完成；這些函數(shù)同樣會(huì)阻塞進(jìn)程，但是和阻塞式IO不同的是IO復(fù)用模型可以一次性阻塞多個(gè)IO操作。同時(shí)，kernel會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的socket，當(dāng)任何一個(gè)socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回。這個(gè)時(shí)候用戶進(jìn)程再調(diào)用read操作，將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進(jìn)程。
1) 用戶首先調(diào)用select或者poll函數(shù)對(duì)多個(gè)IO接口操作進(jìn)行檢測，同時(shí)會(huì)使進(jìn)程或者線程阻塞；
2) 當(dāng)有至少一個(gè)IO接口響應(yīng)的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)通知內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來獲取數(shù)據(jù)；
3) 這時(shí)內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝遷移至內(nèi)核空間，進(jìn)程或者線程仍然處于阻塞狀態(tài)；
4) 數(shù)據(jù)就緒，返回一個(gè)成功值告訴用戶可以處理數(shù)據(jù)了；
(4) signal driven IO
用戶首先注冊一個(gè)處理IO信號(hào)的信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好的時(shí)候進(jìn)程或者線程并不阻塞，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時(shí)候用戶進(jìn)程或者線程會(huì)收到一個(gè)信號(hào)SIGIO，這時(shí)候就會(huì)調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)，在信號(hào)處理函數(shù)中調(diào)用IO函數(shù)操作數(shù)據(jù)，完成之后通知用戶：
1) 用戶程序中事先注冊好一個(gè)對(duì)于SIGIO的信號(hào)處理函數(shù)；
2) 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢的時(shí)候會(huì)向用戶進(jìn)程或者線程發(fā)送一個(gè)SIGIO信號(hào)，這時(shí)信號(hào)就會(huì)被捕捉；
3) 捕捉信號(hào)之后就會(huì)執(zhí)行用戶自定義的一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，并且在函數(shù)中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)去獲取數(shù)據(jù)；
4) 獲取數(shù)據(jù)同樣會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝到用戶空間，這時(shí)進(jìn)程或者線程仍然會(huì)被阻塞；
5) 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢同樣會(huì)通知用戶，之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理了；
(5) asynchronous IO
對(duì)于異步的IO模型來說，數(shù)據(jù)的等待和搬遷都不由當(dāng)前的進(jìn)程或者線程來處理，調(diào)用相應(yīng)系統(tǒng)函數(shù)之后就會(huì)直接返回繼續(xù)執(zhí)行，因此當(dāng)前用戶程并不會(huì)被阻塞，當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)在用戶空間準(zhǔn)備就緒之后會(huì)以狀態(tài)、通知或者回調(diào)來告訴用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理了：
1) 用戶程序調(diào)用aio_read函數(shù)，告訴內(nèi)核描述字、緩沖區(qū)指針、緩沖區(qū)大小、文件偏移以及通知的方式，之后便立即返回；
2) 這時(shí)內(nèi)核相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作組件會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的等待和搬遷，期間用戶程序并不受影響繼續(xù)執(zhí)行；
3) 當(dāng)數(shù)據(jù)都已經(jīng)在用戶空間準(zhǔn)備就緒之后就會(huì)通過在函數(shù)中預(yù)留的通知方式來通知用戶程序處理數(shù)據(jù)；
總結(jié)：
從上面的分析中不難發(fā)現(xiàn)，在對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取過程中都是進(jìn)行了兩個(gè)主要的部分：數(shù)據(jù)的等待和數(shù)據(jù)的搬遷；除此相同點(diǎn)之外，下面就總結(jié)一下各種IO模型的區(qū)別：
從上面的比較可以發(fā)現(xiàn)：前四種IO模型也就是阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用和信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型都是同步的，只有最后一種是異步的異步IO模型；默認(rèn)情況下所創(chuàng)建出來的socket都是以阻塞的形式，比如網(wǎng)絡(luò)通信中的recvfrom和sendto，或者read和write等函數(shù)都是以阻塞的方式來實(shí)現(xiàn)的。
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