I/O模型： 阻塞、非阻塞、I/O复用、同步、异步

I/O模型不论在实际使用还是准备笔试面试中都是重要的内容，参考Unix网络编程进行总结如下。（尤其注意红色标注处）

1. 明确I/O考察的对象和流程

参考Unix网络编程，一个输入操作通常包括两个不同的阶段：

（1） 等待数据准备好；

（2） 从内核向进程复制数据。

对于一个套接字的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络到达，当所等待分组到达时，被复制到内核的某个缓冲区；

第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

理解上述两个不同阶段对于后续理解I/O模型尤其是非阻塞I/O与同步I/O关系十分必要。

 

2. I/O模型

2.1 阻塞式I/O模型

阻塞式I/O是最流行的I/O，也是所有套接字默认的I/O。

（注：所有图片来源 Unix网络编程卷1，第三版）

如图所示，进程调用recvfrom系统调用，直到数据报到达且被复制到应用进程缓冲区中或发生错误才返回。

也就是说，进程从调用recvfrom开始到返回的整个时段都是阻塞的（上述两个阶段都是阻塞），recvfrom成功返回后，应用进程才开始处理数据报。

 

2.2 非阻塞I/O模型

根据书中的定义，当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不投入睡眠，而是返回一个错误。

还是考察图示比较清晰。

如图所示，不同于阻塞式I/O，非阻塞I/O在第一阶段数据没有准备好的时候，不阻塞，而是直接返回一个错误（EWOULDBLOCK）。

所以一般采用轮询（polling）的方式，应用进程持续轮询内核，查看数据是否准备好。当数据准备好时，被复制到应用进程缓冲区（第二阶段）。

注*：值得注意的一点是，当第一阶段数据准备完成后，进入第二阶段，内核向内存的复制。这一阶段仍然是阻塞的，这对于后续理解非阻塞与同步的关系十分重要。

 

2.3 I/O复用模型

I/O复用最常见的就是select和epoll，其阻塞发生在上述两个系统调用之一，而不是真正的I/O系统调用上。

如下图所示：

 

 

当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞与select。内核会“监视”所有select负责的套接字，当任何一个套接字中的数据准备好了，select就会返回。

这时候进入第二阶段，完成内核向内存的数据复制。

I/O复用的优势在于同时等待多个描述符就绪，单就一个描述符可言，其没有优势，反而还会因为多一次select系统调用存在劣势。

 

2.4 异步I/O模型

异步I/O的工作机制是告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括第二阶段数据从内核向用户进程的复制）完成后告知我们。

如下图所示：

异步I/O要通过调用特殊API实现（如POSIX的aio_read），可以看出，其在两个阶段都是没有对于用户进程的阻塞的，依靠信号通知进程整个过程完成。

 

2.5 同步、异步与阻塞、非阻塞、I/O复用的关系

首先先来再明确一下同步、异步I/O之间的区别。

书中所述，POSIX把两种术语定义如下：

同步I/O：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

异步I/O: 不导致请求进程阻塞。

所以说，阻塞式I/O， 非阻塞I/O， I/O复用由于都导致了请求进程阻塞，所以均属于同步I/O。

（值得注意的是非阻塞I/O，正如之前提示要注意的，其在第二阶段内核向内存复制数据是会导致用户进程的阻塞，所以也属于同步I/O）

想使用异步I/O，必须使用特殊的API（如linux下AIO,Windows下IOCP等）。

所以他们的关系如下图所示：

（注：图片来源陈硕知乎上的解答）

3. 总结

如下图所示：（暂时忽略信号驱动I/O）

图中清晰地总结了每种I/O的特点和调用流程。

可以看出阻塞式、非阻塞式、与I/O复用，其不同之处在于第一阶段，第二阶段的处理方式相同（均阻塞与recvfrom调用），这也是刚才说到的将他们归于同步I/O的原因。

而异步I/O不存在请求进程阻塞的情况。同时注意前三种I/O模型在第一阶段的处理方式（阻塞，返回+轮询，阻塞于select等），区分这三种I/O模型。

 

参考资料：

1. (美)史蒂文斯(Stevens, W. R. ), (美)芬纳(Fenner,等. UNIX网络编程: 第3版. 1, 套接字联网API[M]. 人民邮电出版社, 2010.

2. I/O- 同步，异步，阻塞，非阻塞（亡羊补牢篇） http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

3. 知乎问答： 怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？ https://www.zhihu.com/question/19732473