在现代计算机系统中，输入/输出（I/O）操作的效率直接影响到整体性能与用户体验。I/O多路复用技术是提升并发处理能力、降低资源消耗的关键手段。本文将深入探讨五种IO模型，包括阻塞、非阻塞、同步、异步以及信号驱动I/O，解析它们的工作原理与适用场景。同时，我们将聚焦多路复用技术的核心概念与实现方式，揭示其在提升并发处理能力、降低资源消耗中的关键作用。
一、了解IO模型
I/O模型是指在进行输入输出操作时，操作系统和应用程序之间如何进行交互的方式。
（一）异步IO和同步IO
同步I/O： 同步I/O模型是指进程发起一个I/O操作后，必须等待这个操作完成才能进行下一步操作。在这种模型下，当应用程序发起一个I/O请求时，它会被阻塞，直到操作系统将数据从内核空间复制到用户空间的缓冲区中，然后应用程序才能继续执行。
异步I/O： 异步I/O模型在两个阶段都不会阻塞调用进程，在操作系统层面实现真正的异步I/O。这意味着在数据准备和传输过程中，进程可以继续执行其他任务。
（二）五种IO模型回顾
阻塞IO： 进程在进行IO操作时会挂起，会一直阻塞到内核缓冲区数据准备好并复制到用户缓冲区之后。
非阻塞IO： 用户进程需要进行IO操作时，会进行一次系统调用，进入到内核态，此时用户进程被挂起。处于阻塞状态。此时进程不会再占用CPU资源。
IO多路复用： 利用单个线程来同时监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待CPU资源。
信号驱动IO： 使用SIGIO信号来实现IO异步通知机制。
异步IO： 用户线程发起一个IO操作后，并不需要等待，而是马上就得到一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送IO操作。
二、IO多路复用
（一）IO多路复用模型
IO多路复用模型的核心思想是使用单个线程来同时监听多个FD，并在某个FD可读、可写时得到通知。
（二）select实现原理
实现原理： select系统调用允许程序同时在多个底层文件描述符上，等待输入的到达或输出的完成。
调用过程：
- 创建fdset，将要监听的fd设置为1。
- 执行select，将未就绪的fd重置为0，再拷贝到用户空间。
问题：
- 需要两次拷贝耗时：需要将整个fdset从用户空间拷贝到内核空间，select结束后还要再次拷贝到用户空间。
- 遍历整个fdset耗时：select无法具体的值是哪个fd就绪，需要遍历整个fdset。
- 监听数量有限：不超过1024。
（三）poll实现原理
实现原理： poll与select类似，但以链表形式存储文件描述符，没有长度限制。
调用过程：
- 创建pollfd结构体数组，存储要监听的文件描述符和事件。
- 执行poll，返回就绪的文件描述符和事件。
（四）epoll实现原理
实现原理： epoll是基于事件驱动的，如果某个流准备好了，会以事件通知，知道具体是哪个流。
调用过程：
- 创建epoll对象。
- 使用epoll_ctl添加要监听的文件描述符。
- 使用epoll_wait等待就绪的文件描述符。
（五）总结
IO多路复用技术可以有效地提升并发处理能力，降低资源消耗。select、poll和epoll是常见的实现方式，它们各有优缺点。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的实现方式。
三、总结
通过深入理解IO模型和多路复用技术，我们可以更有效地设计与优化高性能应用程序，推动技术的不断进步与创新。