I/O 模型

预备知识1： 用户空间和内核空间

• 虚拟存储器
  
  • 以32位操作系统为例， 能访问的内存最大为4G
    
• 0–3G 虚拟地址分配给各个用户进程（用户空间）
  
  • 每个进程都有3G的虚拟地址空间
• 3–4G 虚拟地址分配给操作系统核心和驱动程序（内核空间）
• 用户空间和内核空间不能用指针来传递数据（）

注意：
- Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，两者不能简单地使用指针传递数据，因为Linux使用的虚拟内存机制，用户空间的数据可能被换出，当内核空间使用用户空间指针时，对应的数据可能不在内存中。用户空间的内存映射采用段页式，而内核空间有自己的规则。
- 32位系统用户进程最大可以访问3GB，内核代码可以访问所有物理内存。
- 64位系统用户进程最大可以访问超过512GB，内核代码可以访问所有物理内存。
- 用户态的程序就不能随意操作内核地址空间里的数据，具有一定的安全保护作用；于此同时，在实时性方面稍微有所牺牲。也要就是说，只要内核代码没有问题，用户空间程序的错误和BUG一般来说不会导致系统崩溃，提高了系统的健壮性。

内核态与用户态：
（1）当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。比如进行文件访问

（2）当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。

预备知识2： I/O模式

• 缓存I/O

  • 数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

• 进程读取数据的两个阶段

  • 等待内核数据准备
  • 将数据从内核拷贝到进程中

假设我们有个进程，建立了一个socket , 从服务器读取数据， 那数据从网络到达时， 先被读取到内核的缓冲区， 然后再复制到进程的缓冲区

预备知识3： 进程状态和阻塞

什么时候会阻塞？ 进程正在运行， 需要从硬盘， 网络等地方读取数据， 由于IO操作很慢， 进程会被放到阻塞队列中等待。

IO模型

由于数据的读取分为两个阶段，所以IO读取分为若干种模式下面的图是从《Unix网络编程》书中截取出来的图片，我认为这几张图很好的解释了这几种IO模型的特点。

同步阻塞型IO

最常用的I/O模型就是阻塞I/O，缺省的情况下所有文件的操作都是阻塞的。以模型Socket为例， 进程被阻塞， 直到数据从内核空间复制到用户空间，在此期间一直会等待。

注意 Socket与数据报（UDP）的区别：前者概念更宽泛，包括后者再加上TCP

同步非阻塞型IO

当进程调用recvFrom的时候， 系统不把进程置为阻塞状态，相反，而是返回一个标志符。 这样进程就可以反复轮询内核，询问数据准备好了没有， 这样会耗费大量CPU时间。

异步IO

进程告知内核启动某个操作，并让内核完成以后通知进程。

IO复用模型

进程告诉内容： 我这里有100多个（假设）socket， 你帮我看看哪一个可以读了， 然后告诉我， 哪一个socket 好了， 我就会发起receiveFrom调用。本质上IO复用模型也是同步阻塞型IO，但是它与同步阻塞型IO的区别是它可以管理很多socket。
应用场景：当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型相比较，I/O多路复用模型的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或线程，也不需要维护这些进程和线程的运行。
- 服务器需要同时处理多个监听状态或者多个连接状态的套接字（Socket）

各种IO模型的对比

总结

• 操作系统中的很多概念是关联的， 例如你理解了虚拟存储器， 才有可能理解用户空间，内核空间， 然后才能真正理解阻塞，非阻塞， 异步，同步
• 将数据从内核复制到用户空间都是阻塞的，所谓非阻塞就是等待数据是非阻塞的
• 程序（进程）阻塞后，CPU不会分配时间片给改程序运行。

问题：

• 为什么异步IO不能完全取代阻塞IO？
  阻塞IO有存在的道理，你想一个业务场景下，必须要某一 步的IO操作完成才能进行后面的任务，后面的所有的操作都建立在这个IO完成上。在这种情况下你就得用阻塞IO 了 。