[Linux]五种IO模型（图文讲解+故事讲解）

一、对IO的理解：等+拷贝

等

拷贝

二、五种IO模型（解释其概念）

1.阻塞IO

2.非阻塞IO

3.信号驱动IO

4.IO多路复用

5.异步IO

IO速度比较

三、一个故事让你了解五种IO模型

四、同步VS异步阻塞VS非阻塞

同步VS异步

阻塞VS非阻塞

一、对IO的理解：等+拷贝

等

等待外设就绪：在进行I/O操作时，由于外设（如硬盘、网络设备等）的速度通常远低于CPU的速度，因此CPU在执行I/O指令后往往需要等待外设完成操作。这种等待是I/O操作中的一个基本且常见的特性。
在现代操作系统中，为了提高CPU的利用率，通常会使用中断（Interrupt）和DMA（直接内存访问）等技术来管理I/O操作，使得CPU在等待I/O操作完成期间可以执行其他任务。但是，从应用程序的角度来看，I/O操作仍然是一个“等待”的过程。（备注：中断是一种硬件或软件生成的信号，用于中断正在执行的程序，将控制权转移到处理中断的程序上，DMA是一种机制，允许输入/输出设备直接访问系统内存，而无需通过处理器的干预）

拷贝

拷贝数据：在I/O操作中，数据通常需要在不同的存储介质或内存区域之间移动。这种移动过程本质上就是数据的拷贝。

二、五种IO模型（解释其概念）

1.阻塞IO

在内核将数据准备好之前，系统调用将会一直等待，所有的套接字, 默认都是阻塞方式.阻塞IO是最常见的IO模型。

2.非阻塞IO

也称为非阻塞轮询式IO，如果内核未将数据准备好，系统调用不会等待阻塞，会直接返回，且返回的是EWOULDBLOCK错误码。注意：使用非阻塞IO，一般要进行轮询操作，即反复的进行IO操作（如读写文件等操作，看看文件描述符是否已经就绪）直到操作完成，这对CPU是一个很大的消耗，一般只有特定的场景才使用。

3.信号驱动IO

内核将数据准备好之后，发送SIGIO信号通知应用程序进行IO操作。允许应用程序在等待IO操作完成时执行其他任务。

4.IO多路复用

同时监视多个IO操作的技术，它可以提高程序的效率，能够同时等待多个文件描述符的就绪状态.，最常见的IO多路复用机制是select、poll和epoll（主要在Linux上），这些机制允许单个线程或进程监视多个文件描述符，以查看是否有IO操作准备就绪。一旦有IO操作就绪，程序就可以执行相应的读写操作，而不会阻塞整个程序。

5.异步IO

异步IO是最高效的IO模型之一。在异步IO模型中，应用程序发起一个IO操作，并立即返回继续执行后续操作，而不会阻塞当前线程。当IO操作完成时，内核会通知应用程序，通常是通过回调函数或事件。这样，应用程序可以在不牺牲性能的情况下，同时处理多个IO操作。

IO速度比较

从速度角度来看，异步IO > IO多路复用 > 信号驱动IO > 非阻塞IO > 阻塞IO。然而，这种比较并不是绝对的，因为实际速度还受到多种因素的影响，如操作系统的支持、硬件性能、IO操作的类型（如磁盘IO、网络IO）以及应用程序的具体实现等。因此，在选择IO模型时，需要根据实际应用场景和需求进行综合考虑。

三、一个故事让你了解五种IO模型

在一条河边有五个人在钓鱼:

人分别为：张三（代表阻塞IO），李四（代表非阻塞IO），王五（代表信号驱动IO），赵六（代表IO多路复用），田七（代表异步IO）

河：操作系统，鱼竿：文件描述符，鱼漂：就绪条件，人：进程/线程

（阻塞IO）张三钓鱼：

张三是一个热爱钓鱼享受钓鱼的人，他钓鱼会一丝不苟的盯着鱼漂，只要鱼漂一下沉他立马把鱼掉上来，在这区间他不会做其他与钓鱼无关的事。

（非阻塞IO）李四钓鱼：

李四钓鱼没有张三那么真正，他就是享受这一个过程的，他一会玩玩手机，一会看看鱼漂看看有没有鱼上钩，一会和旁边的钓友聊聊天，一旦鱼上钩，鱼漂一沉，鱼竿一动，他就把鱼钓上来。

（信号驱动IO）王五钓鱼：

王五虽然喜欢钓鱼，但他比较懒，他既不想眼睛盯着鱼竿，也不想手里拿着鱼竿，于是他在鱼竿上挂了一个铃铛，一但鱼上钩时鱼漂下沉，鱼竿摇动，铃铛就会响，他就把鱼钓上来，在这区间王五可以干任何事，刷抖音，看看书，只有铃铛响，他能听到把鱼钓上来就行。

（IO多路复用）赵六钓鱼：

赵六非常喜欢钓鱼，而且他非常有钱，别人钓鱼带一套装备（鱼竿，鱼漂等工具），一次只能钓到一条鱼，他嫌弃这样钓鱼慢，于是他带了100套装备，把100个鱼竿架好，然后他就在这100个鱼竿面前来回走动，一旦鱼漂下沉，鱼竿晃动，他到这个鱼竿面前把鱼钓上来。

（异步IO）田七钓鱼：

田七是一个钓鱼爱好者同时也是一个公司老板，他很忙，但他又想钓鱼，于是他钓鱼就放挂好鱼漂，架好鱼竿，他就开车回公司忙去了，让司机帮他钓，调到鱼了就打电话通知他，他忙完了就开车来接他和鱼。