IO的同步与异步，阻塞与非阻塞

我们有时会看到类似于同步阻塞式IO、同步非阻塞式IO、异步IO等这些名词。

大多数时候，同步就是阻塞的，异步就是非阻塞的，比如我们并发编程里面加锁进行同步，那么获取不到锁的就要阻塞等待。但是在IO里面，同步异步与阻塞非阻塞不是同一概念。

这里面的同步、异步、阻塞、非阻塞是什么意思呢？

阻塞IO与非阻塞IO

在IO里面，当数据还没有就绪时，当前线程是否需要等待数据到达，可以分为阻塞IO与非阻塞IO。阻塞式IO是指当数据未就绪时，当前线程阻塞等待数据就绪；非阻塞式IO是指当数据未就绪时，当前线程不会阻塞等待数据就绪。

这里的数据就绪是指，数据已经加载到操作系统内核空间。比如网络IO，当数据到达网卡缓冲区，会通过DMA（Direct Memory Access——直接内存访问）设备把数据拷贝到内核空间，此时代表数据就绪，也就是等待应用程序拷贝到用户空间。

同步IO与异步IO

当数据已经达到了之后，就需要把内核空间的数据拷贝到用户空间，把内核空间的数据拷贝到用户空间是通过CPU进行拷贝。

是否需要当前线程主动去把内核空间中的数据搬运到用户空间，这又分为同步IO和异步IO。需要当前线程主动拷贝内核空间的数据到用户空间的叫同步读取，不需要当前线程主动拷贝内核空间的数据到用户空间的叫异步读取。

那么，根据同步与异步、阻塞与非阻塞，就组合出了四种类型的IO：

首先这里要知道，异步阻塞IO是不存在的，因此阻塞式IO在数据未就绪前是阻塞等待的，直到数据就绪之后当前线程才解阻塞，而数据都已经到达了，那直接拷贝到用户空间就可以了，这时候弄一个异步读取就没有必要了。

Linux五种IO模型

BIO

BIO是同步阻塞式IO。以网络IO为例，当客户端没有发送数据时，当前线程会阻塞等待数据，当客户端发送的数据被网卡接收并被DMA设备拷贝到内核空间之后，当前线程把内核空间中的数据拷贝到用户空间，然后当前线程才从数据拷贝中返回。

那么我们看到的现象就是，当服务端调用read()函数时，服务端当前线程阻塞等待客户端发送数据，当客户端发送的数据被服务端接收并拷贝到内核空间之后，服务端的当前线程需要把数据拷贝到用户空间，然后服务端当前线程才从read()函数返回。

NIO

NIO是同步非阻塞IO，当客户端没有发送数据时，服务端线程不会阻塞等待，而是马上返回，当前线程需要不断的检测数据是否已经到达并被拷贝到内核空间。如果数据还没有准备好，那么read函数调用会马上返回一个error，用户线程可以再次发起read函数调用继续检测；如果数据已经在内核空间了，那么当前线程调用read函数就会拷贝内核空间的数据到用户空间，这个拷贝的过程是同步读取，是当前线程主动拷贝的，因此在线程拷贝数据到用户空间的这段时间，程序是不会往下执行的。

NIO相比BIO的不同在于当数据还未就绪时，使用NIO是不会导致当前线程阻塞的，但是当数据就绪时，NIO与BIO一样是由当前线程拷贝到用户空间的，因此当要拷贝内核空间的数据到用户空间时，NIO与BIO是一样的会卡住直到数据拷贝完毕。

IO多路复用

在Linux操作系统上面，IO多路复用通过Linux提供的select、poll、epoll等API实现。使用IO多路复用是会使得当前线程阻塞的，但是IO多路复用与阻塞IO不同，阻塞IO是当前线程阻塞监听一个socket文件描述符，而IO多路复用则是阻塞监听多个socket文件描述符。

当有一个或多个文件描述符有数据就绪时，则该线程解阻塞，可以操作这些有数据就绪的socket文件描述符读取数据。

信号驱动IO

要理解信号驱动IO，首先要理解什么是信号驱动。信号驱动是一种软中断，是在软件层面模拟硬件中断实现的一种中断机制。

首先当前线程向操作系统注册一个信号处理函数，操作系统内核保持该信号处理函数。

当对应的事件发生时，操作系统向当前线程发送一个SIGIO信号。然后触发一个软中断，当前线程切换到内核态，执行之前注册的信号处理函数。执行完毕之后，再切换回用户态，当前线程从中断处开始往下执行。

可见这是一种异步操作，再对应的事件没有发生时，当前线程可以继续往下执行，不会阻塞，当对应的事件发生时，才转而执行预先注册的函数。

信号驱动IO也是一种同步非阻塞IO。当前线程通过sigaction函数注册一个SIGIO信号处理函数，然后回马上返回不会阻塞。如果客户端发送的数据已被拷贝到内核空间，操作系统会发送一个SIGIO信号给当前线程，当前线程转而执行之前注册的SIGIO信号处理函数，里面会调用redvfrom读取内核空间的数据到用户空间，此时是由当前线程主动拷贝数据，因此从内核空间拷贝数据到用户空间期间当前线程阻塞，因此还是同步IO。

AIO

AIO是异步IO，异步IO是全程无阻塞的IO操作，性能最高。应用程序不需要阻塞等待数据到达，当数据到达时操作系统自动把内核空间的数据拷贝到用户空间，再通知当前线程处理数据。

首先用户线程调用aio_read函数并传递用户空间缓存区、缓冲区大小等参数，然后马上返回，不会阻塞当前线程。当数据已在内核空间中就绪时，操作系统内核自动把数据拷贝到指定的用户空间缓冲区。当操作系统内核拷贝数据到用户空间完成后，再发送一个信号通知用户线程处理数据。

但可惜的是，Linux操作系统对AIO的支持不是很好，Linux的AIO是基于IO多路复用做的封装，性能并没有很大的提升，因此使用的更多的是IO多路复用。但是Windows操作系统则在真正意义上实现了AIO，因此在Windows操作系统环境下使用AIO的话，可以在性能上得到很大的提升。