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'''IO模型'''（Input/Output Model）是操作系统中描述应用程序与外部设备（如磁盘、网络等）进行数据交互的核心机制。不同的IO模型对系统性能、资源占用和编程复杂度有显著影响，是面试高频考点和系统调优的关键知识点。

== 基本概念 ==
IO操作分为两个阶段：
# '''准备阶段'''：内核等待数据就绪（如网络数据到达内核缓冲区）
# '''拷贝阶段'''：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间

根据这两个阶段的处理方式不同，主要分为五种IO模型：
* 阻塞IO（Blocking IO）
* 非阻塞IO（Non-blocking IO）
* IO多路复用（IO Multiplexing）
* 信号驱动IO（Signal-driven IO）
* 异步IO（Asynchronous IO）

<mermaid>
flowchart TD
    A[发起IO请求] --> B{数据是否就绪?}
    B -->|是| C[数据拷贝]
    B -->|否| D[等待/轮询/回调]
    C --> E[完成通知]
</mermaid>

== 阻塞IO（Blocking IO）==
最基础的IO模型，进程在数据就绪前会被挂起。

=== 特点 ===
* 同步阻塞模式
* 系统调用（如read()）直到数据到达才返回
* 简单但效率低

=== 代码示例 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <unistd.h>
int main() {
    char buf[1024];
    // 阻塞等待输入（示例：标准输入）
    ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

== 非阻塞IO（Non-blocking IO）==
通过设置文件描述符为非阻塞模式，立即返回错误码而不是阻塞等待。

=== 特点 ===
* 同步非阻塞模式
* 需要轮询检查状态
* 消耗CPU资源

=== 代码示例 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    char buf[1024];
    while(1) {
        ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
        if(n > 0) {
            write(STDOUT_FILENO, buf, n);
            break;
        } else if(errno == EAGAIN) {
            usleep(100000); // 100ms延迟
        }
    }
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

== IO多路复用（IO Multiplexing）==
使用select/poll/epoll等系统调用同时监控多个文件描述符。

=== 对比 ===
{| class="wikitable"
! 方法 !! 描述 !! 最大fd数 !! 效率
|-
| select || 位图遍历检查 || FD_SETSIZE || O(n)
|-
| poll || 链表结构存储 || 无限制 || O(n)
|-
| epoll || 事件回调机制 || 无限制 || O(1)
|}

=== epoll示例 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <sys/epoll.h>

#define MAX_EVENTS 10

int main() {
    int epfd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
    
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = STDIN_FILENO;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &ev);

    while(1) {
        int nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
        for(int i = 0; i < nfds; i++) {
            if(events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {
                char buf[1024];
                read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
                // 处理数据...
            }
        }
    }
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

== 信号驱动IO（Signal-driven IO）==
通过SIGIO信号通知进程数据就绪，无需主动轮询。

=== 实现步骤 ===
1. 设置信号处理程序
2. 指定文件描述符的属主进程
3. 启用信号驱动IO

== 异步IO（Asynchronous IO）==
最先进的IO模型，全程无阻塞。

=== 特点 ===
* 异步非阻塞模式
* 内核完成所有操作后通知应用
* POSIX标准（aio_*函数）

=== 对比同步IO ===
<math>
\begin{cases}
同步IO：\text{应用主动参与数据拷贝阶段} \\
异步IO：\text{内核完成所有操作后通知}
\end{cases}
</math>

== 实际应用场景 ==
* '''Web服务器'''：Nginx使用epoll实现高并发
* '''数据库系统'''：Redis采用IO多路复用
* '''高性能计算'''：MPI库使用异步IO重叠计算与通信

== 性能比较 ==
<mermaid>
barChart
    title IO模型延迟比较
    x-axis 模型
    y-axis 延迟(ms)
    bar 阻塞IO: 200
    bar 非阻塞IO: 180
    bar IO多路复用: 50
    bar 异步IO: 30
</mermaid>

== 常见面试问题 ==
1. 五种IO模型的核心区别是什么？
2. 为什么epoll比select/poll效率高？
3. 异步IO与信号驱动IO的关键差异？
4. 如何理解"非阻塞IO本质上仍是同步的"？

== 进阶阅读建议 ==
* 《UNIX网络编程》- Stevens
* Linux man pages: select(2), epoll(7), aio(7)
* 边缘触发(ET) vs 水平触发(LT)模式

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