IO Models

I/O Overview

I/O即输入输出（Input/Output），核心目标是实现数据的交换与控制。从本质上来说，IO操作主要涉及两个阶段：

1. 数据准备阶段：等待数据准备好（如等待数据从网络到达）
2. 数据复制阶段：将数据从kernel buffer复制到user buffer

Kernel/User Space

Kernel Space（内核空间）和User Space（用户空间）是操作系统中两个重要的内存区域。

内核空间是操作系统核心代码运行的区域，具有更高的权限，可以直接访问硬件资源；
而用户空间则是应用程序运行的区域，权限较低，不能直接访问硬件资源。通常需要通过系统调用执行特权操作

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 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
 │   User Space  0x0000000000000000 - 0x00007FFFFFFFFFFF   │
 │  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐        │
 │  │ Stack Buffer│ │ Heap Buffer │ │ mmap Buffer │        │
 │  └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘        │
 └─────────────────────────────────────────────────────────┘

 ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
 │ Kernel Space  0xFFFF800000000000 - 0xFFFFFFFFFFFFFFFF   │
 │  ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐        │
 │  │Socket Buffer│ │ Page Cache  │ │ DMA Buffer  │        │
 │  └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘        │
 └─────────────────────────────────────────────────────────┘

基于两个阶段的处理方式差异，可以将I/O操作分为以下几种模型：

IO模型	数据准备阶段	数据复制阶段
阻塞IO	阻塞等待	同步复制
非阻塞IO	非阻塞轮询	同步复制
IO多路复用	阻塞等待多个源	同步复制
信号驱动IO	异步通知	同步复制
异步IO	异步等待	异步复制

一次I/O操作各阶段的流程可以参考下图：

View Mermaid diagram code

sequenceDiagram
    box User Space
        participant APP as Web Application
        participant FWK as Web Framework/System Libraries
    end
    participant SYS as 🔶 System Call Interface
    box Kernel Space
        participant KER as Kernel
    end
    participant HW as Physical Hardware

    APP->>FWK: 使用Web框架/库函提供的接口，进行IO操作
    FWK->>SYS: 发起系统调用

    Note over SYS: Context Switch (用户态→内核态)

    SYS->>KER: 内核处理逻辑

    KER->>HW: 硬件操作
    Note over KER: 内核等待I/O设备数据就绪

    HW-->>KER: 数据就绪, 存储到内核缓冲区(Kernel Buffer)

    Note over KER: 数据由内核缓冲区复制到用户缓冲区(User Buffer)

    KER-->>SYS: 系统调用返回

    Note over SYS: Context Switch (内核态→用户态)

    SYS-->>FWK: 返回I/O结果

    FWK-->>APP: 返回业务结果

I/O Models

Blocking & Non Blocking I/O

阻塞 IO 是最通用的 IO 类型。使用这种模型进行数据接收的时候，在数据没有到之前程序会一直等待。
而当执行非阻塞 IO 时，如果数据已经准备好，操作会立即完成；如果未准备好(对于TCP套接字即⾄少有⼀个字节的数据可读，对于UDP套接字即有⼀个完整的数据报可读)
，不要阻塞等待，而是返回EWOULDBLOCK错误。应用程序可以基于这种错误进行处理，例如继续轮询（polling）等待数据就绪

Warning

当一个应用程序使用了非阻塞模式的套接字，应用程序需要不停的 polling(轮询) 内核来检查是否 I/O 操作已经就绪。这将是一个极浪费 CPU 资源的操作。因此这种I/O模型在使用中不是很普遍。

I/O Multiplexing

操作系统提供了一系列系统调用(syscall)，例如 select、poll 和 epoll。

它们遵循相似的工作原理：应用程序开一个线程或进程，调用系统调用，例如 select，来监视多个文件描述符, 之后线程/进程会阻塞在 select 这个调用上，等待某个文件描述符状态改变（比如有数据可读、可写或发生异常），当文件描述符状态变为可读时，调用 recvfrom 把读到的数据复制到用户进程缓冲区

I/O Multiplexing vs Blocking I/O

项目	阻塞 I/O	I/O 复用（select）
系统调用次数	1 次,直接调用recvfrom	2 次先调用select 再调用 recvfrom

在处理单个文件描述符时，select 反而是“额外绕了一圈”, 但 select 的优势是可以等待多个描述符就绪，与之相似的是[[IO多路复用#多线程/进程 + Blocking I/O|多线程/进程 + Blocking I/O]]

三个函数在实现上有较大差异，此处暂不展开，执行下面命令查看Linux Programmer’s Manual

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man select
man poll
man epoll

Signal Driven I/O

信号驱动的 IO 在进程开始的时候注册一个信号处理的回调函数，进程继续执行。当数据到来时，通知目标进程进行 IO 操作（signal handler）

Asynchronous I/O

Asynchronous: 两个层面的“异步”

“异步”这个词在技术讨论中常被用于描述两个不同层面的概念，这容易引起混淆：

1. 操作系统层面的 I/O 模型：例如本文介绍的AIO。在此模型中，从数据准备到数据复制的整个过程都由内核完成，应用只需发起请求，然后等待内核的完成信号即可。

2. 应用程序层面的编程模型：框架提供的API是异步的，但框架所调用的操作系统接口是同步非阻塞。

异步 IO 与前面的信号驱动 IO 相似，其区别在于信号驱动 IO 当数据到来的时候，使用信号通知注册的信号处理函数，而异步 IO 则在数据复制完成的时候才发送信号通知注册的信号处理函数。

Ref

怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？ - 学刑法的程序员的回答 - 知乎