IO是计算机体系中重要的一部分。IO类外设有打印机、键盘、复印机等；存储类型的设备则有硬盘、磁盘、U盘等；通信设备有网卡、路由器等。不同的IO设备有着不同的特点，很难实现一种统一的输入、输出方法。
      IO有两种操作，同步IO和异步IO。同步IO是指必须等待IO操作完成后，控制权才会返回给用户进程。异步IO指的是无须等待IO操作完成，就将控制权返回给用户进程。
      网络中的IO，由于不同的IO设备有着不同的特点，网络通信中往往需要等待。常见的有以下4种情况：

1. 输入操作：

      当一个网络IO发生(假设是read)时，它会涉及两个系统对象，一个是调用这个IO的进程，另一个是系统内核。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：①等待数据准备；②将数据从内核拷贝到进程中。
      为了解决网络IO中的问题，提出了4中网络IO模型：

• 阻塞IO模型
• 非阻塞IO模型
• 多路复用IO模型
• 异步IO模型

阻塞IO模型

      在Linux中，默认情况下所有socket都是阻塞的，一个典型的读操作如下图所示：

      当应用进程调用了recvfrom这个系统调用后，系统内核就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没到达时(比如还没有收到一个完整的TCP包)，系统内核就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当系统内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从系统内核中拷贝到用户内存中，然后系统内核返回结果，用户进程才解除阻塞的状态，重新运行起来。所以，阻塞IO模型的特点就是在IO执行的两个阶段(等待数据和拷贝数据)都被阻塞了。

非阻塞IO模型

      在Linux中，可以通过设置socket使IO变为非阻塞状态。当对一个非阻塞的socket执行read操作时，读操作流程如下图所示：

      从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，如果内核中的数据还没有准备好，那么它不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个错误。从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。当用户进程判断结果是一个错误时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的系统调用，那么它马上就将数据复制到了用户内存中，然后返回正确的返回值。
      所以，在非阻塞式IO中，用户进程其实需要不断地主动询问kernel数据是否准备好。非阻塞的接口相比阻塞型接口的显著差异在于被调用之后立即返回。使用函数fcnt1(fd,F_SETFL,O_NONBLOCK);可以将某句柄fd设为非阻塞状态。
      在非阻塞状态下，recv()接口在被调用后立即返回，返回值代表了不同的含义，如下：

1. recv()返回值大于0，表示接收数据完毕，返回值即是接收到的字节数
2. recv()返回0，表示连接已经正常断开
3. recv()返回-1，且errno等于EAGAIN，表示recv操作还没执行完成
4. recv()返回-1，且errno不等于EAGAIN，表示recv操作遇到系统错误errno

      可以看到服务器线程可以通过循环调用recv()接口，可以在单个线程内实现对所有连接的数据接收工作。但是上述模型绝不被推荐，因为循环调用recv()将大幅度占用CPU使用率；此外，在这个方案中的recv()更多的是起到检测"操作是否完成"的作用，实际操作系统提供了更为高效的检测"操作是否完成"作用的接口，例如select()多路复用模式，可以一次检测多个连接是否活跃。

多路复用IO模型

      多路IO复用，有时也称为事件驱动IO。它的基本原理就是有个函数会不断地轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程，多路IO复用模型的流程如图所示：

      当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时，内核会"监视"所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程。
      这个模型和阻塞IO的模型其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select和recvfrom)，而阻塞IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个连接。所以，如果系统的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用多线程的阻塞IO的web server性能更好，可能延迟还更大；select/epoll的优势并不是对单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。
      在多路复用IO模型中，对于每一个socket，一般都设置成为非阻塞的，但是如上图所示，整个用户的进程其实是一直被阻塞的。只不过进程是被select这个函数阻塞，而不是socket IO阻塞。因此使用select()的效果与非阻塞IO类似。
      如果select()发现某句柄捕捉到了"可读事件"，服务器程序应及时做recv()操作，并根据接收到的数据准备好待发送数据，并将对应的句柄值加入writefds，准备下一次的"可写事件"的select()检测。同样，如果select()发现某句柄捕捉到"可写事件"，则程序应及时做send()操作，并准备好下一次的"可读事件"检测准备。

      这种模型的特征在于每一个执行周期都会
探测一次或一组事件，一个特定的事件会触发某个特定的响应，这里可以将这种模型归类为"事件驱动模型"。
      相比其他模型，使用select()的事件驱动模型只用单线程(进程)执行，占用资源少，不消耗太多CPU资源，同时能够为多客户端提供服务。如果试图建立一个简单的事件驱动的服务器程序，这个模型有一定的参考价值。

      该模型将事件探测和事件响应夹杂在一起，一旦事件响应的执行体过于庞大，则对整个模型是灾难的。如下图所示，耗时很长的事件1将直接导致响应事件2的执行体迟迟得不到执行。

异步IO模型

      用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其他的事；而另一方面，从内核的角度，当它收到一个异步的read请求操作之后，首先会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存中，当这一切都完成之后，内核会给用户进程发送一个信号，返回read操作已完成的信息。
      调用阻塞IO会一直阻塞住对应的进程直到操作完成，而非阻塞IO在内核还在准备数据的情况下会立刻返回。两者的区别就在于同步IO进行IO操作时会阻塞进程。按照这个定义，之前所述的阻塞IO、非阻塞IO及多路IO复用都属于同步IO。实际上，真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个系统调用。非阻塞IO在执行recvfrom这个系统调用的时候，如果内核的数据没有准备好，这时候不会阻塞进程。但是当内核中数据准备好时，recvfrom会将数据从内核拷贝到用户内存中，这个时候进程则被阻塞。而异步IO则不一样，当进程发起IO操作之后，就直接返回，直到内核发送一个信号，告诉进程IO已完成，则在这整个过程中，进程完全没有被阻塞。
      各个IO模型的比较如下图所示：

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