IO模型

一：IO簡介
Unix（like）中，一切皆文件。Socket、FIFO、管道、終端都是文件，一切都是流。在信息交換的過程當中，實際都是對這些流進行的數據收發操做，簡稱I/O操做（系統調用read、write）。而流有不少，因而就用文件描述符（fd）來區分具體是哪一個流。For example，咱們建立了一個socket，系統調用會返回一個fd，對socket的任何操做都是對這個fd的操做（隱隱包含着一種分層與抽象的思想）。

二：同步異步、阻塞非阻塞
同步與異步是一種通訊機制，涉及到調用方和被調用方（針對應用程序與內核而言）。同步過程當中，進程觸發IO操做並等待（阻塞）或者輪詢的（非阻塞）去查看IO操做是否完成；異步過程當中，進程觸發IO操做之後，直接返回，作本身的事情，IO交給內核來處理，完成後內核通知進程IO完成。同步和異步關注的是程序之間的協做關係。同步分爲阻塞和非阻塞，異步則只有非阻塞。
阻塞和非阻塞是一種調用機制，只涉及到調用方（針對單個進程的執行狀態），關注的是IO操做的執行。調用方等待IO操做完成後返回則爲阻塞；調用方無需等待IO操做完成便返回則爲非阻塞，在非阻塞的狀況下，調用方經常須要主動去check,得到IO的操做結果。

三：深刻下阻塞
由於一個線程只能處理一個socket的IO，若是想同時處理多個，能夠用非阻塞忙輪詢的方法，僞代碼是這樣的：

for{
    for _,v := range []streams{
        if v has data
        read until unavailable
    }
}

把流（stream）從頭至尾讀一遍就能處理了，但是這樣效率很低，要是全部流都沒有IO事件，就浪費了CPU的資源。爲了不CPU空轉，不讓這個線程去檢查流是否有IO事件，而是引進一個代理（起初是select，後來是epoll），它能夠同時observe許多stream事件，若是沒有事件，代理就阻塞，線程就不會去挨個check了。僞代碼：

for{
    select([]streams) 
    for _,v := range []streams{
        if v has data
        read until unavailable
    }
}

可即使這樣，依舊要去作循環，由於select只是告訴線程有IO事件發生，可並無告訴線程是哪一個fd（或者多個），因此select的複雜度是O(n)。epoll（event poll）就解決了這個問題，因此epoll是事件驅動的，由於每一個事件上關聯了fd，複雜度也降到了O(1)。

for{
    happened_IO := append(happened_IO,epoll_wait(epollfd))
    for _,v := range happened_IO{
      read or write
    }
}

四：幾種IO模型
IO發生時（以network IO read爲例）涉及到兩個系統對象:一個是調用這個IO的process（進程）或者thread（線程），以及兩個階段：一、等待數據準備，二、將數據從內核copy到process中。 IO模型的區別就是在這兩個階段上的差別。

1）blocking（阻塞）IO
當調用一個系統調用read時，kernel就開始IO的第一個階段：準備數據，對於network IO來講，不少時候數據一開始尚未到達（一個TCP包沒有接收完整），這個時候kernel就要等待足夠的數據到來（這也和緩存IO仍是非緩存IO有關，通常都是緩存IO）。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞。當kernel一直等到數據準備好了，就會將數據從系統內存copy到用戶內存，而後kernel返回結果，用戶進程才接觸block狀態，從新運行起來。blocking IO的特色就是兩個階段都被block。

2）non-blocking（非阻塞）IO
當用戶進程發出read操做時，若是kernel中的數據尚未準備好，那麼它並不會block用戶進程，而是馬上返回一個error。從用戶進程角度來說，他發起一個read操做後，並不須要等待，而是立刻就獲得了一個結果。用戶進程判斷結果是error時，他就知道數據尚未準備好，因而就再次發送read調用。知道kernel中數據準備好了後，而且再次接收到system call後，將數據copy到用戶內存。可是這種模型效率很低，上文「深刻下阻塞」有提到。

3）multiplexing（多路複用）IO
其實就是select/epoll，也稱爲event driven IO。select/epoll的好處就是一個thread能夠同時處理多個socket的IO，其基本原理就是select/epoll會不斷輪詢所負責的socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。當用戶進程調用了select/epoll，整個進程就會被block，同時kernel會observe全部select/epoll負責的socket，任何一個socket中數據準備好以後，select/epoll就會返回，這時用戶進程再調用read system call，將數據從kernel copy進用戶內存。
multiplexing io和blocking io差異不大，還更差一些，由於他有兩個system call，可是他的優點是他能夠處理多個connection。因此使用select/epoll的web server不必定處理速度很快，他只是能處理更多鏈接。

4）asynchronous（異步）IO
用戶進程發起read操做以後，馬上就能夠開始去作其它的事。而另外一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read以後，首先它會馬上返回，因此不會對用戶進程產生任何block。而後，kernel會等待數據準備完成，而後將數據拷貝到用戶內存，當這一切都完成以後，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它read操做完成了。

主要參考了Richard Stevens的「UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking 」的I/O Models