IO模型

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[编辑 | 编辑源代码]

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）

阻塞IO（Blocking IO）[编辑 | 编辑源代码]

最基础的IO模型，进程在数据就绪前会被挂起。

特点[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

#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;
}

非阻塞IO（Non-blocking IO）[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

同步非阻塞模式
需要轮询检查状态
消耗CPU资源

代码示例[编辑 | 编辑源代码]

#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;
}

IO多路复用（IO Multiplexing）[编辑 | 编辑源代码]

使用select/poll/epoll等系统调用同时监控多个文件描述符。

对比[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

#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;
}

信号驱动IO（Signal-driven IO）[编辑 | 编辑源代码]

通过SIGIO信号通知进程数据就绪，无需主动轮询。

实现步骤[编辑 | 编辑源代码]

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）[编辑 | 编辑源代码]

最先进的IO模型，全程无阻塞。

特点[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

解析失败 (未知函数“\begin{cases}”): {\displaystyle \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} }

实际应用场景[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

常见面试问题[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

《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