异步I/O和非阻塞I/O(轮询)

异步与非阻塞听起来似乎是一回事。从实际效果而言，两者都达到了我们并行I/O的目的。但从计算机内核I/O而言，异步/同步和阻塞/非阻塞实际上是两回事。

操作系统内核对于I/O只有两种方式：阻塞与非阻塞。

在调用阻塞I/O时，应用程序需要等待I/O完成才返回结果。阻塞I/O的一个特点是调用之后一定要等到系统内核层面完成所有操作后，调用才结束。以读取磁盘上的一段文件为例，系统内核在完成磁盘寻道、读取数据、复制数据到内存中之后，这个调用才结束。阻塞I/O造成CPU等待I/O，CPU的处理能力不能得到充分利用。为了提高性能，内核提供了非阻塞I/O。

非阻塞I/O调用之后会立即返回。返回之后，CPU的时间片可以用来处理其他事务，此时的性能提升是明显的。

但非阻塞I/O也存在一些问题，用于完整的I/O并没有完成，立即返回的并不是业务层期望的数据，而仅仅是当前调用的状态。为了获取完整的数据，应用程序需要重复调用I/O操作来确认是否完成。这种重复调用判断操作是否完成的技术叫做轮询。

任意技术都并非完美的。阻塞I/O造成CPU等待，非阻塞I/O带来的麻烦却是需要轮询去确认是否完全完成数据获取，它会让CPU处理状态判断，这是对CPU资源的浪费。

下面完美看看轮询技术是如何演进以减小I/O状态判断的CPU损耗。

现存的轮询技术主要有一下几种：

1. read：

最原始性能最低的一种，通过重复调用来检查I/O的状态以完成完整数据的读取。在得到最终数据前，CPU一直消耗在等待上。

2. select：

它是在read基础上改进的一种方案。通过对文件描述符上的事件状态来进行判断。

select轮询具有一个较弱的限制，那就是由于它采用一个1024长度的数组来存储状态，所以它最多可以同时检查1024个文件描述符。

3. poll：

该方案较select方案有所改进，采用链表的方式避免数组长度的限制，其次它能避免不需要的检查。但是当文件描述符较多的时候，它的性能还是十分低下的。

4. epoll：

该方案是Linux下效率最高的I/O事件通知机制。在进入轮询的时候如果没有检查到I/O事件，将会进行休眠，直到事件发生将它唤醒。它是真实利用了事件通知、执行回调的方式，而不是遍历查询，所以不会浪费CPU，执行效率较高。

5. kqueue：

该方案的实现方式与epoll类似，不过它仅在FreeBSD系统中存在。

轮询技术满足了非阻塞I/O确保获取完整数据的需求，但是对于应用程序而言，它仍然只能算是一种同步，因为应用程序仍然需要等待I/O完全返回，依旧会费了很多时间来等待。等待期间，CPU要么用于遍历文件描述符的状态，要么用于休眠等待事件发生。