一、I/O概述
I/O（英语：Input/Output），即输入／输出，通常指数据在存储器（内部和外部）或其他周边设备之间的输入和输出。IO有 内存IO、网络IO和磁盘IO 三种，通常我们说的IO指的是后两者。
从系统角度来看，编辑器编辑文档、通讯软件消息的发送接收就分别属于网络IO和磁盘IO。为了方便理解IO模型，我们以通讯软件也就是网络IO来分析，软件程序是运行在 用户空间 的，并不存在实质的IO过程，真正的IO操作属于特权指令是运行在 系统内核 的（用户空间和内核空间）。所以软件程序的IO操作需要分为两步即：
- IO调用：用户空间内软件程序像内核发起IO操作的调用
- IO执行：内核空间系统内核实际完成IO操作
IO调用则由应用程序发起，发起后则等待系统内核完成实际IO操作。IO操作在内核中也分为两步，以网络IO来说，分别是：
- 等待数据达到网卡后将数据拷贝至系统内核准备好。（即：等待数据准备好）
- 将内核读书的数据拷贝到用户空间，由程序进行相关操作。（即：从内核向进程拷贝数据）
根据图解，可以清晰的感受到 IO调用 和 IO执行 的两阶段，以及 IO执行 也就是接收数据过程的 等待数据准备好 和 从内核向进程拷贝数据 两阶段。 至于我们说的 阻塞和非阻塞，异步和同步 都是指的 IO执行阶段 的状态和处理机制。
二、阻塞、非阻塞
我们以【数据接收】过程来进一步理解下阻塞和非阻塞的概念。
2.1、阻塞式I/O
根据IO调用和IO执行过程来看，如果程序发起IO调用，但此时数据还未准备好（即数据未到达网卡并读取到内核缓冲区）。那么此时程序就一直处于等待数据准备好的状态，知道数据准备好后内核才能将数据拷贝至用户缓冲区。这个等待的过程就是阻塞。
流程：
- 程序发起IO调用。
- 系统内核进行IO操作。
- 数据未准备好则等待，直至数据准备好。（阻塞主要是这一步）
- 系统内核拷贝数据至用户缓冲区。
2.2、非阻塞式I/O
理解了阻塞式IO再进一步理解非阻塞就很容易了。既然没有数据那系统内核直接返回没有数据，即返回一个 EWOULDBLOCK 错误告知程序就可以了。这样就不用一直阻塞着等待数据到达准备好了。 不过这样确实不阻塞了，但程序还是需要获取到数据的，那么就只能轮询了。在未接收到数据时需要持续轮询系统内核是否准备好数据，直到准备好数据进行拷贝为止。
流程：
- 程序发起IO调用。
- 系统内核进行IO操作。
- i：判断数据是否准备好，准备好进行下一步，未准备好将错误 EWOULDBLOCK 响应给用户控件的程序。
- ii：系统内核拷贝数据至用户缓冲区。
三、I/O多路复用技术（multiplexing）
针对阻塞模型进一步思考，每个系统的进程都是很多的，如果每个进程都持续轮询到数据准备，先不说服务器能不能扛得住这么多线程，就算扛得住那么很明显这种方式是不是太浪费资源了。
那么基于这种情况，是不是考虑可以有一个进程专门用来做轮询操作，等数据到达且准备好之后再通知各个进程读取数据呢？这种方式是有的，那就是 I/O 多路复用技术
I/O 多路复用技术：Linux下的 select、poll和epoll 就是干这个的。将用户socket对应的fd（文件描述）注册进epoll，然后epoll帮你监听哪些socket上有消息到达，这样就避免了大量的无用操作同时提升了CPU效率。此时的socket应该采用非阻塞模式。
select()： 用 long 组成的数据结构 fd_set 来存储文件句柄，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄建立联系。当调用select()时，由内核根据IO状态修改 fd_set 的内容，由此来通知执行了 select() 的进程哪一Socket或文件可读。不过其监视的文件句柄通常最大为 1024
epoll：设计和实现与 select 完全不同。但是底层是链表，这就代表没有上限。
epoll：底层采用红黑树，在内核空间创建需要关注的文件描述符的红黑树，内核监听时会将发生事件的描述符加入队列中，返回到用户空间的时候只需要返回队列中的数据即可。epoll通过这种方式使得减少了每次用户到内核的复制过程。
四、信号驱动I/O
在多路复用的基础上，能不能有更加有效率的方式来避免这种暴力的轮询机制呢？毕竟大部分轮询都是无效的，且 SELECT 轮询时程序进程依旧属于阻塞状态，效率并没有提高多少。
针对这种情况，就衍生出了 信号驱动I/O 模型
信号驱动I/O：应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
相交 I/O多路复用 这种通过不断轮询来减少线程资源创建的方式，信号驱动I/O 模式通过建立信号关联的机制，实现了发送后只需等待通知即可，避免大量无效的数据状态轮询操作。
五、异步I/O
那么在 信号驱动I/O 的基础上有没有更进一步效率更高更简洁的操作呢？当然有啦，那就是 异步I/O 这个相信大家都不陌生，进程发送 aio_read 系统调用会立即返回，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号，这期间程序线程不阻塞继续执行。
六、总结
以上就是 Unix 中的五种 I/O 模型，列举如下:
- 阻塞式 I/O
- 非阻塞式 I/O
- I/O 复用(select 和 poll)
- 信号驱动式 I/O(SIGIO)
- 异步 I/O(AIO)
前四种模型主要区别有 IO操作 的第一阶段，就是等待数据阶段，至于第二阶段的数据复制都是一样的。其中 阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用(select 和 poll)、信号驱动式 I/O(SIGIO) 都是同步的I/O，虽然虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。 只有 异步I/O 是完全不阻塞的 IO操作
参考资料
Synchronous and asynchronous I/O
6.2 I/O Models
select/poll/epoll
