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

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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：

一次I/O操作各阶段的流程可以参考下图：

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；否则会返回错误，而不阻塞程序。应用程序可以基于这种错误进行处理，或继续轮询等待数据就绪

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，选用syscall来监视多个文件描述符, 调用syscall后线程/进程会阻塞在这个调用上，直到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）

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

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。