AIO簡介
Linux 異步 I/O 是 Linux 內核中提供的一個相當新的增強。它是 2.6 版本內核的一個標準特性，但是我們在 2.4版本內核的補丁中也可以找到它。AIO 背後的基本思想是允許進程發起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍後或在接收到I/O 操作完成的通知時，進程就可以檢索 I/O 操作的結果。
在深入介紹 AIO API 之前，讓我們先來探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O模型。這並不是一個詳盡的介紹，但是我們將試圖介紹最常用的一些模型來解釋它們與異步 I/O 之間的區別。圖 1給出了同步和異步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。
圖 1. 基本 Linux I/O模型的簡單矩陣
每個 I/O 模型都有自己的使用模式，它們對於特定的應用程序都有自己的優點。本節將簡要對其一一進行介紹。
圖 2 給出了傳統的阻塞 I/O模型，這也是目前應用程序中最爲常用的一種模型。其行爲非常容易理解，其用法對於典型的應用程序來說都非常有效。在調用read系統調用時，應用程序會阻塞並對內核進行上下文切換。然後會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的設備中返回），數據就被移動到用戶空間的緩衝區中。然後應用程序就會解除阻塞（read調用返回）。
圖 2. 同步阻塞 I/O模型的典型流程
從應用程序的角度來說，read調用會延續很長時間。實際上，在內核執行讀操作和其他工作時，應用程序的確會被阻塞。
同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中，設備是以非阻塞的形式打開的。這意味着 I/O操作不會立即完成，read操作可能會返回一個錯誤代碼，說明這個命令不能立即滿足（EAGAIN 或EWOULDBLOCK），如圖 3 所示。
圖 3. 同步非阻塞 I/O模型的典型流程
非阻塞的實現是 I/O命令可能並不會立即滿足，需要應用程序調用許多次來等待操作完成。這可能效率不高，因爲在很多情況下，當內核執行這個命令時，應用程序必須要進行忙碌等待，直到數據可用爲止，或者試圖執行其他工作。正如圖3 所示的一樣，這個方法可以引入 I/O 操作的延時，因爲數據在內核中變爲可用到用戶調用 read返回數據之間存在一定的間隔，這會導致整體數據吞吐量的降低。
另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞 I/O。在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然後使用阻塞select 系統調用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。使 select調用非常有趣的是它可以用來爲多個描述符提供通知，而不僅僅爲一個描述符提供通知。對於每個提示符來說，我們可以請求這個描述符可以寫數據、有讀數據可用以及是否發生錯誤的通知。
圖 4. 異步阻塞 I/O 模型的典型流程(select)
select 調用的主要問題是它的效率不是非常高。儘管這是異步通知使用的一種方便模型，但是對於高性能的I/O 操作來說不建議使用。
最後，異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進行的模型。讀請求會立即返回，說明 read請求已經成功發起了。在後臺完成讀操作時，應用程序然後會執行其他處理操作。當 read的響應到達時，就會產生一個信號或執行一個基於線程的回調函數來完成這次 I/O 處理過程。
圖 5. 異步非阻塞 I/O模型的典型流程
在一個進程中爲了執行多個 I/O 請求而對計算操作和 I/O 處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O速度之間的差異。當一個或多個 I/O 請求掛起時，CPU 可以執行其他任務；或者更爲常見的是，在發起其他 I/O 的同時對已經完成的I/O 進行操作。
異步 I/O 的動機
從前面 I/O 模型的分類中，我們可以看出 AIO 的動機。阻塞模型需要在 I/O操作開始時阻塞應用程序。這意味着不可能同時重疊進行處理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允許處理和 I/O操作重疊進行，但是這需要應用程序根據重現的規則來檢查 I/O 操作的狀態。這樣就剩下異步非阻塞 I/O 了，它允許處理和 I/O操作重疊進行，包括 I/O 操作完成的通知。
除了需要阻塞之外，select 函數所提供的功能（異步阻塞 I/O）與 AIO類似。不過，它是對通知事件進行阻塞，而不是對I/O 調用進行阻塞。