前言
本文是筆者的第一篇博文，在這篇文章的大部分內容基於steven大神的《Unix Network Programming》。一來是對書本內容的整理與歸納。二來也是為接下來的博文奠定基礎。
在實際應用中，數據操作通常分為輸入和輸出，那么以輸入為例，在操作系統中，一個數據的輸入通常分為以下兩個過程：
- 等待數據准備好.
- 將准備好的數據從內核拷貝到用戶空間
下面我們將會分別討論 I/O 模型中的兩個大類，即 同步 I/O 與 異步 I/O。
圖 1. 基本I/O 模型的簡單矩陣
同步阻塞I/O
最常用的一個模型是同步阻塞 I/O 模型。其行為非常容易理解，其用法對於典型的應用程序來說都非常有效。在調用 read 系統調用時，應用程序會阻塞並對內核進行上下文切換。然后會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的設備中返回），數據就被移動到用戶空間的緩沖區中。然后應用程序就會解除阻塞（read 調用返回）。
圖 2. 同步阻塞 I/O 模型
同步非阻塞 I/O
同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中，設備是以非阻塞的形式打開的。這意味着 I/O 操作不會立即完成，read操作可能會返回一個錯誤代碼，說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）
圖 3. 同步非阻塞 I/O 模型
當一個應用進程像這樣對一個非阻塞描述符循環調用recvfrom時，我們稱之為輪詢(polling)。應用進程只需輪詢內核，以查看某個操作是否就緒。這么做往往耗費大量CPU時間。
I/O復用模型
I/O 復用有時又被稱為 事件驅動 I/O, 它的最大優勢在於，我們可以將感興趣的多個I/O事件（更精確的說，應該是 I/O 所對應的文件描述符）注冊到 select/poll/epoll/kqueue 之中某一個系統調用上（很多時候，這些系統調用又被稱為多路復用器。假設此時我們選擇了 select() ）。此后，調用進程會阻塞在 select() 系統調用之上（而不是阻塞在真正的 I/O 系統調用（如 read(), write() 等）上）。select() 會負責監視所有已注冊的 I/O 事件，一旦有任意一個事件的數據准備好，那么 select() 會立即返回，此時我們的用戶進程便能夠進行數據的復制操作。
圖 4. I/O復用模型
總而言之，I/O 復用的優點就在於可以同時等待多個I/O事件；而缺點是會進行兩次系統調用（一次 select(), 一次 read() ）。
信號驅動式I/O模型
在這種模型下，我們首先開啟套接字的信號驅動式I/O功能，並通過sigaction系統調用安裝一個信號處理函數。改系統調用將立即返回，我們的進程繼續工作，也就是說他沒有被阻塞。當數據報准備好讀取時，內核就為該進程產生一個SIGIO信號。我們隨后就可以在信號處理函數中調用read讀取數據報，並通知主循環數據已經准備好待處理，也可以立即通知主循環，讓它讀取數據報。
圖 5. 信號驅動I/O模型
無論如何處理SIGIO信號，這種模型的優勢在於等待數據報到達期間進程不被阻塞。主循環可以繼續執行，只要等到來自信號處理函數的通知：既可以是數據已准備好被處理，也可以是數據報已准備好被讀取。
異步非阻塞 I/O
異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進行的模型。讀請求會立即返回，說明 read 請求已經成功發起了。在后台完成讀操作時，應用程序然后會執行其他處理操作。當 read 的響應到達時，就會產生一個信號或執行一個基於線程的回調函數來完成這次 I/O 處理過程。
圖 6. 異步非阻塞I/O模型
在一個進程中為了執行多個 I/O 請求而對計算操作和 I/O 處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差異。當一個或多個 I/O 請求掛起時，CPU 可以執行其他任務；或者更為常見的是，在發起其他 I/O 的同時對已經完成的 I/O 進行操作。
各種I/O模型的比較
通過上面的討論可以清楚的看到，同步 I/O 總會有阻塞的過程，這就是“同步”最本質的特征。而如前文所說，異步 I/O 的最大特點在於用戶進程均不阻塞。 用戶進程告知內核啟動某一 I/O 操作， 並讓內核全權代為執行（包括等待數據及拷貝數據至用戶空間），此后用戶進程可以立即執行其它的任何操作。等到所有 I/O 過程執行完成后， 內核會通知用戶程。由此可見，在整個過程中，用戶進程均不阻塞。
圖 7. 各種I/O模型的比較1
圖 8 . I/O 模型比較2
| I/O模型 | 讀寫操作和阻塞階段 |
| 阻塞I/O | 應用阻塞於讀寫函數 |
| I/O復用 | 應用阻塞於I/O復用系統調用，但可同時監聽多個I/O事件。對I/O本身的讀寫操作是非阻塞的 |
| 信號驅動I/O | 信號觸發讀寫就緒事件，用戶程序執行讀寫操作。應用沒有阻塞階段 |
| 異步I/O | 內核執行讀寫操作並觸發讀寫完成事件。應用沒有阻塞階段 |
參考
《Unix Network Programming》(volume 1)
《使用異步 I/O 大大提高應用程序的性能》