IO模型：同步、异步、阻塞、非阻塞
参考文章：
https://www.cnblogs.com/sheng-jie/p/how-much-you-know-about-io-models.html
https://songlee24.github.io/2016/07/19/explanation-of-5-IO-models/
在Linux的网络编程中，同步IO(synchronous IO)、异步IO(asynchronous IO)、阻塞IO(blocking IO)、非阻塞IO(non-blocking IO)究竟是什么？它们之间又有什么联系和区别？ 何为同步异步？何为阻塞与非阻塞？二者的区别在哪里？阻塞在何处？为什么会有多种IO模型，分别用来解决问题？常用的框架采用的是何种I/O模型？各种IO模型的优劣势在哪里，适用于何种应用场景？
简而言之，对于I/O的认知，不能仅仅停留在字面上认识，了解内部玄机，才能深刻理解I/O，才能看清I/O相关问题的本质。
一、I/O 的定义
I/O 的全称是Input/Output。
计算机视角
I/O之于计算机，有两层意思：
1、I/O设备
2、对I/O设备的数据读写
对于一次I/O操作，必然涉及2个参与方，一个输入端，一个输出端，而又根据参与双方的设备类型，我们又可以分为磁盘I/O，网络I/O（一次网络的请求响应，网卡）等。
程序视角
I/O之于应用程序来说，强调的通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。换句话说应用程序发起的一次IO操作实际包含两个阶段：
1、IO调用阶段：应用程序进程向内核发起系统调用
2、IO执行阶段：内核执行IO操作并返回
准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据
拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区
怎么理解准备数据阶段呢？
对于写请求：等待系统调用的完整请求数据，并写入内核缓冲区；
对于读请求：等待系统调用的完整请求数据；（若请求数据不存在于内核缓冲区）则将外围设备的数据读入到内核缓冲区。
应用程序进程在发起IO调用至内核执行IO返回之前，应用程序进程/线程所处状态，就是我们下面要讨论的几种IO模型。
二、I/O模型
在《UNIX网络编程.卷1》第6.2节介绍了五种IO模型，分别是：
- 阻塞式IO（blocking IO）
- 非阻塞式IO（non-blocking IO）
- IO复用（IO multiplexing）
- 信号驱动式IO（signal driven IO）
- 异步IO（asynchronous IO）
通常一个 socket 上的读操作包含两个阶段：
- 等待数据准备好；
- 将数据从内核拷贝到进程中。
上述几种IO模型就是在这两个阶段上各有不同的情况。
1、阻塞式IO
默认情况下，Linux下的所有socket都是阻塞的。以 UDP 的recvfrom调用为例：
当进程调用recvfrom时，该函数直到①数据报到达且被复制到应用进程缓冲区；②或者发生错误(比如被信号中断)才返回。
所以，阻塞式IO的特点就是在I/O执行的两个阶段都被阻塞了——阻塞等待数据，阻塞拷贝数据。
2、非阻塞式IO
Linux下可以通过fcntl将 socket 设置为非阻塞模式。
当对一个非阻塞 socket 执行读操作时，如果内核中的数据还没有准备好，那么它并不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个EWOULDBLOCK错误；如果内核中有数据准备好了，它会立即将数据拷贝到用户内存，并成功返回。
由于非阻塞I/O在没有数据时会立即返回，故用户进程通常需要循环调用recvfrom，不断地主动询问内核数据是否ready。
所以，非阻塞式IO的特点是在I/O执行的第一个阶段不会阻塞线程，但在第二阶段会阻塞。
3、IO复用
IO复用(IO multiplexing)，也称事件驱动IO(event-driven IO)，就是在单个线程里同时监控多个套接字，通过 select 或 poll 轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。
可以看出，进程阻塞在select调用上，等待有套接字变为可读；当有套接字可读以后，调用recvfrom把数据报从内核复制到用户进程缓冲区，此时进程阻塞在IO执行的第二个阶段。
如上图整个用户进程其实是一直被阻塞的，但IO复用的优势在于可以等待多个描述符就绪。
所以，IO复用的特点是进行了两次系统调用，进程先是阻塞在 select/poll 上，再是阻塞在读操作的第二个阶段上。
4、信号驱动式IO
信号驱动式IO(signal-driven IO)，就是让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知用户进程。
首先需要开启 socket 的信号驱动式IO功能，然后通过sigaction系统调用注册SIGIO信号处理函数 —— 该系统调用会立即返回。当数据准备好时，内核会为该进程产生一个SIGIO信号，这时就可以在信号处理函数中调用 recvfrom 读取数据了。
所以，信号驱动式IO的特点就是在等待数据ready期间进程不被阻塞，当收到信号通知时再阻塞并拷贝数据。
5、异步IO
异步IO(asynchronous IO)其实用得很少，在Linux 2.5 版本的内核中首次出现，在 2.6 版本的内核中才成为标准特性。
用户进程在发起aio_read操作后，该系统调用立即返回 —— 然后内核会自己等待数据ready，并自动将数据拷贝到用户内存。整个过程完成以后，内核会给用户进程发送一个信号，通知IO操作已完成。
异步IO与信号驱动式IO的主要区别是：信号驱动式IO是由内核通知我们何时启动一个IO操作，而异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成。
所以，异步IO的特点是IO执行的两个阶段都由内核去完成，用户进程无需干预，也不会被阻塞。
6、五种IO模型的比较
可以看出，前4种模型的主要区别在于第一阶段，因为它们的第二阶段是一样的：都是阻塞于recvfrom调用，将数据从内核拷贝到用户进程缓冲区。
之所以称为异步IO，取决于IO执行的第二阶段是否阻塞。因此前面讲的BIO，NIO和SIGIO均为同步IO。
三、阻塞vs非阻塞，同步vs异步
回到本文开头的那个问题：同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO究竟是什么？它们之间又有什么联系和区别？
阻塞IO vs 非阻塞IO
上面介绍阻塞式IO模型、非阻塞式IO模型时已经说明了两者的区别：
- 阻塞I/O会一直阻塞用户进程直到操作完成
- 非阻塞I/O在内核的数据还没准备好的情况下会立即返回
同步IO vs 异步IO
POSIX是这样定义的：
- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes. —— 同步IO操作导致进程阻塞，直到IO操作完成。
- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked. —— 异步IO操作不导致进程阻塞。
上面定义中的I/O operation是指真正的I/O系统调用，比如recvfrom，所以阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型都属于同步I/O。—— 只有异步I/O模型属于POSIX定义的异步I/O，因为在异步I/O模型中，用户进程是将整个I/O操作都交给内核来完成，内核完成后发信号通知，在此期间用户进程完全不用去理会。
