IO读写过程

在计算机系统中，IO读写需要用户态和内核态之间的切换，因为IO操作涉及到硬件资源（硬盘、键盘和终端等设备），这些设备是不能被用户态直接访问的。所以当程序需要进行IO读写或其他类似的硬件资源操作时，不能直接执行，需要通过系统调用的过程转入内核态运行。

IO读写过程

读数据时需要先等待内核缓冲区数据就绪，然后将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区

阻塞IO

阻塞IO：在IO操作期间（数据准备阶段、数据拷贝阶段、内核处理数据阶段），进程都会被阻塞，无法执行其他任务，直到IO操作完成。

阻塞IO的执行流程：

非阻塞IO：在数据准备阶段，用户程序会不断进行系统调用查询数据是否准备完毕，进程不会被阻塞。

非阻塞IO执行流程

应用程序发起非阻塞IO请求，应用程序将IO请求传递给操作系统内核，并立即返回数据就绪状态（未就绪）
内核等待数据准备完毕，在此期间进程不会处于阻塞状态，用户程序周期性的检查IO操作的状态，实现轮询
数据准备完毕后，当用户程序再次检查IO操作时，内核进行数据拷贝
- 读取：内核将磁盘（或其他外设）读取的数据暂存到内核缓冲区中
- 写入：内核将待读取的数据从用户空间的缓冲区拷贝到内核空间的缓冲区
内核处理数据
- 读取：内核将数据从内核缓冲区中拷贝到用户空间的缓冲区中
- 写入：内核将内核空间的缓冲区数据写入到磁盘（获取其他外设）
内核处理完数据后，将结果返回给应用程序，继续执行后面的代码

多路复用IO：使单个线程能够同时监听和处理多个IO事件，可以提高系统的并发性能，减少资源占用和上下文切换的开销。

多路复用IO具体介绍可以查看文章：juejin.cn/post/729185…

信号驱动IO：应用程序与内核建立SIGIO的信号关联并设置回调，当内核有文件描述符就绪时，内核会发出SIGIO信号通知应用程序，在内核发出SIGIO信号之前应用程序可以执行其他业务，无需阻塞等待。

信号驱动IO执行流程

异步IO：允许应用程序在进行IO操作时可以继续执行其他任务，而无需等待IO操作完成。

异步IO执行流程

IO操作的两个步骤

针对这两个步骤，五种IO模型在这两个步骤中有不同的处理：

阻塞IO：两个步骤期间用户进程都阻塞，等待内核拷贝数据完毕后，唤醒用户线程
非阻塞IO：内核等待数据就绪期间，用户线程周期性的检查IO操作的状态，实现轮询；内核拷贝数据期间，用户线程阻塞等待内核拷贝数据完毕
多路复用IO：一个线程监听多个IO操作，只要有一个数据准备就绪，内核会告知线程进行对应的IO操作，但是如果所有IO操作数据都没有准备就绪，此时线程就被阻塞
信号驱动IO：内核等待数据就绪期间，用户线程不会被阻塞，可以执行其他任务，数据就绪后内核会发送一个信号给用户线程；内核拷贝数据期间，用户进程会进入阻塞，等大内核拷贝数据完毕后开始处理数据
异步IO：两个步骤期间用户进程都不会阻塞，当数据准备就绪，并且内核拷贝完数据后，内核会发送一个通知给用户线程，用户线程开始处理数据。