摘要：上圖中，進程調(diào)用了，系統(tǒng)函數(shù)在有數(shù)據(jù)報到達并已經(jīng)拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)時，或者有錯誤發(fā)生時才會返回最常見的錯誤是被信號中斷。多路復(fù)用在多路復(fù)用模型，我們會阻塞在這些系統(tǒng)函數(shù)中，而不是阻塞在真正的調(diào)用上。

文章還會涉及到同步 I/O，異步 I/O，阻塞 I/O 和非阻塞 I/O
首先我們需要理解以下概念：

在現(xiàn)在操作系統(tǒng)中，CPU通常會在兩種不同的模式下工作：

此模式下，程序代碼能夠完全，無限制地訪問底層硬件，能夠執(zhí)行任意的 CPU 指令和訪問任意的內(nèi)存地址。內(nèi)核模式通常留給最底層的，受信任的系統(tǒng)函數(shù)來使用。程序在內(nèi)核模式下崩潰是災(zāi)難性的，這甚至可以使整臺 PC 宕機。

在用戶模式下，程序代碼不能夠直接訪問硬件和內(nèi)存。執(zhí)行在用戶態(tài)的代碼必須委托系統(tǒng)函數(shù)去訪問硬件和內(nèi)存。因為有這種隔離機制的保護，程序在用戶態(tài)下崩潰通常是可恢復(fù)的。PC 中大多數(shù)程序也是在用戶態(tài)下執(zhí)行。

指操作系統(tǒng)進程調(diào)度切換，從某個進程到另外的進程。切換過程需要保存當前進程的所有狀態(tài)，包括寄存器狀態(tài)，關(guān)聯(lián)的內(nèi)核狀態(tài)，虛擬內(nèi)存的配置等，具體會經(jīng)歷以下幾個步驟：

保存處理器上下文，包括程序計數(shù)器和其他寄存器

更新進程控制塊 (PCB)

移動進程的 PCB 到合適的隊列，例如就緒隊列，事件阻塞隊列

選擇其他進程，并更新他的 PCB

更新內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

恢復(fù) PCB 上下文

一個阻塞的進程通常是在等待某個事件，例如信號的釋放或者消息的到達。在多任務(wù)的系統(tǒng)中，阻塞的進程會通過系統(tǒng)調(diào)用去通知調(diào)度器自己處于 wait 的狀態(tài)，以便能夠被移除出時序隊列。進程如果在 wait 狀態(tài)下還霸占 CPU 繼續(xù)執(zhí)行，這被稱為 busy-waiting (空等?)。顯然這是不合理的，因為他浪費了 CPU 時鐘周期，這原本可以被其他進程使用。所以當一個進程進入了阻塞狀態(tài)，不應(yīng)繼續(xù)占用 CPU 資源。

當我們寫數(shù)據(jù)（到文件系統(tǒng)），I/O 系統(tǒng)會累積數(shù)據(jù)到一個中間緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)積累到足夠數(shù)據(jù)時（或者調(diào)用flush()）才會把數(shù)據(jù)發(fā)送到文件系統(tǒng)，這樣減少了文件系統(tǒng)的訪問次數(shù)。因為對文件系統(tǒng)（磁盤）的訪問通常來說開銷很大（對比內(nèi)存間的拷貝），緩沖式 I/O 能夠有效提高性能，尤其是那種多次的小數(shù)據(jù)量寫操作。若是大數(shù)據(jù)量的寫操作，非緩沖式 I/O 會更好，因為緩沖式 I/O 并不會顯著減少（對文件系統(tǒng)）系統(tǒng)調(diào)用，卻引入的額外的內(nèi)存拷貝工作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作帶來了更高的 CPU 和內(nèi)存開銷。

在 Unix 及其衍生的操作系統(tǒng)中，文件描述符 (FD) 是一個抽象的指示符 (原文：indicator, handle，多數(shù)文章翻譯成句柄)，用來訪問文件或其他 I/O 資源，例如管道，socket等。FD 是 POSIX 編程接口的一部分，是個非負索引值，許多底層的程序都會使用到 FD

當一個讀操作發(fā)生，會經(jīng)歷以下兩個階段：

數(shù)據(jù)準備階段 —— 例如等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達，當數(shù)據(jù)包到達時，他們會拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)中

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移階段 —— 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶進程

因為這兩個階段的存在，Linux 提供了以下5種 I/O 模型

阻塞式 I/O 是最常見的 I/O 模式，默認地，所有的 socket 都是阻塞式的

這里我們用 UDP 協(xié)議和 recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用來舉例。上圖中，進程調(diào)用了 recvfrom，系統(tǒng)函數(shù)在有數(shù)據(jù)報到達并已經(jīng)拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)時，或者有錯誤發(fā)生時才會返回（最常見的錯誤是被信號中斷）。我們認為進程在 recvfrom 從調(diào)用到返回的整個階段都被阻塞了。當 recvfrom 成功返回，應(yīng)用程序才會去處理數(shù)據(jù)報。

如果一個（數(shù)據(jù)準備階段） I/O 調(diào)用沒有完成，內(nèi)核會立即返回一個錯誤標記，而不是阻塞這個進程

第一次調(diào)用 recvfrom 時并沒有數(shù)據(jù)到達，于是內(nèi)核立即返回了錯誤標記 EWOULDBLOCK
第四次調(diào)用 recvfrom 時數(shù)據(jù)報已經(jīng)到達，拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)后，recvfrom 成功返回，之后程序會處理這些數(shù)據(jù)。
像這樣，程序在一個非阻塞的 FD 上循環(huán)調(diào)用 recvfrom 被稱為輪詢。這通常會浪費 CPU 時鐘周期，但這種模型也會偶爾使用到，例如一個系統(tǒng)只專注于某個功能的時候。

在 Linux I/O 多路復(fù)用模型，我們會阻塞在 select, poll, epoll 這些系統(tǒng)函數(shù)中，而不是阻塞在真正的 I/O 調(diào)用上。

上圖中，我們阻塞在 select() 函數(shù)上，等待 socket 數(shù)據(jù)可讀。select() 返回則表示 socket 數(shù)據(jù)可讀，之后我們才調(diào)用 recvfrom 拷貝數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序緩沖區(qū)

缺點：這里我們使用了兩次系統(tǒng)調(diào)用 (select 和 recvfrom)，而阻塞式 I/O 只使用了一次 recvfrom

優(yōu)勢：我們可以監(jiān)聽多個 FD 是否就緒

I/O 多路復(fù)用模型與阻塞式 I/O 模式非常相似。阻塞式 I/O 使用多線程（每個線程負責一個 FD）且每個線程都可以很自由地調(diào)用（阻塞式）系統(tǒng)函數(shù) recvfrom，而非使用 select 負責監(jiān)聽多個 FD。

告訴內(nèi)核當某個 FD 就緒時，釋放 SIGIO 信號來通知應(yīng)用程序

我們首先讓 socket 使用信號驅(qū)動 I/O 模式，并使用 sigaction 系統(tǒng)函數(shù)注冊一個信號處理器 (signal handler)，該系統(tǒng)函數(shù)立即返回，這是非阻塞的。

當數(shù)據(jù)可讀，SIGIO 信號釋放出來被進程接收到，我們可以進行如下操作之一

在 signal handler 中調(diào)用 recvfrom 讀取數(shù)據(jù)，隨后通知主循環(huán)數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好了

signal handler 通知主循環(huán)去讀取數(shù)據(jù)

該模型的優(yōu)勢在于，等待數(shù)據(jù)到達的階段不會阻塞，主循環(huán)可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)并等待 signal handler 的通知（數(shù)據(jù)可讀或可處理）

異步 I/O 模型告訴內(nèi)核執(zhí)行 I/O 操作，等到整個 I/O 操作（包括數(shù)據(jù)準備階段和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移階段）完成后再通知我們。該模式跟信號驅(qū)動 I/O 非常相似，主要的區(qū)別是：信號驅(qū)動 I/O 中，內(nèi)核通知進程 I/O 操作可以開始（仍需把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程），而異步 I/O 中內(nèi)核通知我們 I/O 操作已經(jīng)完成（數(shù)據(jù)已經(jīng)在進程緩沖區(qū)中）

我們調(diào)用了系統(tǒng)函數(shù) aio_read，向內(nèi)核傳遞了以下信息：

FD, 緩沖區(qū)指針，緩沖區(qū)大小

文件偏移量

I/O 執(zhí)行完畢的通知方式

aio_read 會立即返回，進程在等待 I/O 操作完成的整個階段都不會被阻塞。

前面4種模型的主要區(qū)別在第一個階段（數(shù)據(jù)準備階段），第二階段（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移階段）是一樣的：進程都阻塞在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移階段（從內(nèi)核拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)）。異步 I/O 內(nèi)核負責這兩個階段，不需要應(yīng)用程序干預(yù)。

POSIX 定義如下

同步 I/O 會導(dǎo)致請求 I/O 操作的進程阻塞，直到 I/O 操作完成

異步 I/O 不會導(dǎo)致請求 I/O 操作的進程阻塞

根據(jù)這些定義，前面4種 I/O 模型 (blocking, nonblocking, I/O multiplexing, and signal-driven I/O) 都是同步 I/O，因為實際的 I/O 操作都會阻塞進程（舉例：信號驅(qū)動 I/O 在等待數(shù)據(jù)時非阻塞，但在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時阻塞了，是同步 I/O），只有異步 I/O 模型符合定義。

施工中