Linux的五种I/O方式
转载自：https://blog.csdn.net/qq_34018840/article/details/106217337
一、背景
在搞清楚Linux的五种I/O方式之前，我们首先需要弄清楚的是同步/异步、以及阻塞/非阻塞的概念，先用一个事例做一个简单的介绍。某一天你去银行办理某个业务，而这个时候有很多人在办理业务，因此你需要等待，现在有下面4种情况：
- 你自己主动去排队（同步），然后排队过程中你担心会漏掉你，于是不玩手机不干其他事情只是专心的等待队伍前进（阻塞）；
- 你自己主动去排队（同步），但是在这个过程中你觉得很无聊，于是开始边玩手机边等（非阻塞）；
- 银行有一个排号机器可以帮你排号并播放到号提醒（异步），于是你拿了一个号，但是你担心叫号的时候你听不见，于是你还是什么都不敢坐在大厅等着（阻塞）；
- 银行有一个排号机器可以帮你排号并播放到号提醒（异步），于是你拿了一个号，然后你就在旁边玩手机甚至还出去买了瓶水回来喝（非阻塞）；
在这个银行排队事务中，你就是一个处理业务的进程、而银行则是中央处理器CPU。
- 第一种/第二种情况都是你自己在队伍里等待，由你自己主动同步的去查看银行窗口的状态，区别在于中途干不干别的；
- 第三种/第四种情况则是银行的机器异步的通知你是否可以办理业务，区别同样在于中途干不干别的；
二、同步/异步、阻塞/非阻塞的简单总结
1、同步/异步
关注的是消息通知机制（即是由你自己主动查看消息，还是由其他人通知你消息），根本区别在于同步是主动等待消息通知，而异步是被动接受消息通知，通过回调、通知、状态等方式来被动获取信息；
- 所谓同步，就是在发出一个*调用*时，在没有得到结果之前，该*调用*就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换言之，由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。
- 异步则相反，*调用*在发出后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换言之，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发出后，*被调用者*通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。
2、阻塞/非阻塞
关注的是程序/线程等待消息通知时的状态（即你在能不能在等待的过程中干其他事情）；
3、简单总结
同步的情况下，是由处理消息者自己去等待消息是否被触发；而异步的情况下是由触发机制来通知处理消息者，所以在异步机制中，处理消息者和触发机制之间就需要一个连接的桥梁
三、Linux的五种I/O方式
1、同步阻塞I/O（银行排队，且不能玩手机干其他事）
- 程序阻塞直到数据准备好，并将数据从内核复制到用户进程。
- 优点在于能及时返回数据，无延迟。缺点在于等待需要付出性能代价
2、同步非阻塞I/O（银行排队，但是可以玩手机，但也需要不断观察自己的排队状态，轮询）
- 每隔一段时间查询一次的主动轮训方式。将大阻塞分割成N多份阻塞，数据准备好时，拷贝过程依旧处于阻塞状态。
- 优点在于可以利用部分等待时间，缺点在于响应延迟增大，效率低下，需要在不同操作之间切换
3、I/O多路复用（银行排队，但增加了一个显示屏显式号码，玩会手机或出去喝口水了回来看看屏幕即可select、poll、epoll，从而避免轮询，显示屏的信息交给内核去做）
- 多路复用的特点是通过一种机制使得一个进程能同时等待多个I/O文件描述符，基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询I_O状态，任何一个I_O可读写便调用用户进程来处理
- 当用户进程调用了select、poll、epoll，那么整个进程会被block，由kernel“监视”所有相关的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select、poll、epoll就会返回。这个时候用户进程再调用例如read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程
- IO多路复用是阻塞在select、epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上，实际上可以归为同步阻塞模式
4、信号驱动I/O
- 建立SIGIO信号处理程序，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。
5、异步非阻塞I/O（银行拿号，可以离开银行去干其他的，等通知到号即可，注册一个回调函数）
- 用户进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程。等待数据准备好，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送一个signal或执行一个基于线程的回调函数来完成这次IO处理过程，告诉它read操作完成了。两个阶段都是非阻塞的。
- 不会被缓存或缓冲
