“曾經有一份真誠的愛情放在我面前，但我沒有珍惜，等我失去的時候我才后悔莫及，人世間最痛苦的事莫過于此。”這是電影《大話西游》中的經典臺詞，大圣與紫霞仙子最終還是沒有有情人成眷屬。然而我們今天介紹的主角-I/O與用戶，二者卻是經歷了各種考驗，最后終成眷屬了～

那么什么是IO呢？

說到IO就得說到操作系統Linux，在Linux的世界里，一切都是文件，都是一串二進制流，不管是socket、FIFO、管道、終端，全都是文件，全都是流。信息交換的過程就是對流進行數據的收發操作，也就是IO操作（Input/Output）。而計算機世界里有這么多的流，通過文件描述符就可以知道操作哪個流了，通常是創建一個socket套接字就會產生一個文件描述符，所以對文件描述符的操作也就是對socket的操作，往里寫入數據調用write，讀數據調用read。

在介紹I/O模型之前，我們要給大家先普及兩個概念：內核空間和用戶空間。簡單來說，就是操作系統在設計時為了讓各個模塊各干各的事，劃分了不同的地盤。現代操作系統采用虛擬存儲器，有32位和64位操作系統，因此尋址地址（虛擬存儲空間）包含4G（2的32次方）、17179869184G（2的64次方）。操作系統的核心是內核，對上可以訪問受保護的內存空間，對下可以訪問底層硬件設備。為了內核安全，保障用戶進程不能直接操作內核，因此操作系統把虛擬空間劃分為用戶空間和內核空間。用戶空間執行用戶自己的代碼時，處于用戶態；通過系統調用進入內核執行時，處于內核態。

講完了用戶空間、內核空間、用戶態、內核態，進入今天的主題I/O。故事的開始是用戶在前端發起的請求，當用戶在前端發起一個請求時，我們知道的路徑是該請求通過網絡傳遞給到后端，后端經過業務程序調用、數據庫調用等將結果計算出來，再傳遞給到前端展示結果給用戶。事實上，這背后還有更復雜的技術原理。從整個軟件系統來看，除了業務程序之外、還包含操作系統、硬件資源，因此整個用戶請求的處理必定是軟硬件都在參與。整個協同的過程就像人餓了要吃飯一樣，身體接收到餓了的訊息，經由大腦處理想吃肉，再通過眼睛看到食材、雙腿獲取食材、雙手烹飪，經過嘴巴消化之后，反饋給大腦飽了的訊息。

整個web請求執行的過程如下：

1. 用戶在客戶端發起請求到服務器網卡；

2. 服務器網卡接收到請求后轉給內核處理；

3. 內核根據請求對應的套接字，將請求交給工作在用戶空間的web服務器進程；

4. web服務器進程根據用戶請求，向內核進行系統調用，申請相應資源；

5. 當web服務器進程請求的是存放在本地磁盤上的資源，內核會通過驅動程序連接磁盤；

6. 內核調用磁盤，獲取相應的資源；

7. 內核將資源存放在自己的緩存區并通知web服務器進程；

8. web服務器進程通過系統調用取得資源，并把它復制到進程自己的緩沖區中；

9. web服務器進程形成響應，通過系統調用再次發給內核響應請求；

10. 內核將響應發給網卡；

11. 網卡把響應結果傳遞給到用戶。

在整個請求的執行過程中，有兩次IO操作，第一次是客戶端請求的網絡I/O，第二次是web服務器請求磁盤I/O。因此當應用程序處理用戶請求緩慢時，運維和研發也會關注網絡IO和磁盤IO的情況；監控系統也會包含網絡讀寫速度、網絡發送接收包數量、磁盤讀寫速度等指標的監控。

講完了為什么系統需要I/O，我們再來看看I/O有哪些模型？根據執行過程和通信過程的不同，IO模型分為阻塞型、非阻塞型、IO復用型、信號驅動型IO、異步IO。簡單來說，就是這五個模型的不同在于等待數據準備階段、將數據從內核拷貝到進程中這兩個階段不相同。

阻塞IO，即在IO操作執行時，所有其它相關的操作都不能進行，直到IO操作執行完成。當在內核執行IO操作時，應用程序調用IO的recvform函數，將應用程序調起，不給它分配CPU時間片，進入阻塞狀態后直到IO操作結束才返回結果；如果系統內核數據沒有準備好，那么就一直處理等待狀態。整個過程就像你在餐館點菜一樣，確認好菜單后服務員會傳遞給到后廚，在整個期間內你只能待在餐桌，哪里都不能去，處于阻塞等待狀態，直到菜做好了，上菜后才可以走動。

非阻塞IO，即在IO操作執行時，其它的相關操作也可以進行。用戶線程向內核發起IO請求時，因為內核執行也需要時間，所以先返回給用戶一個狀態值“EWOULDBLOCK”，在操作執行過程期間，用戶線程不斷的輪詢IO請求，直到讀取到數據。整個過程就像你在餐館點菜一樣，點好菜后服務員會給你個訂單和號碼牌，你可以到處走動，也可以去問廚師菜好了沒？直到上菜完成.

IO復用型，即阻塞多個I/O操作。在阻塞IO模型中，當有IO操作進行時，系統進程會被調起，這樣帶來的是效率低，因為一個線程只能處理一個套接字的I/O事件。改進方法就是調用select和poll函數，當監聽到有讀或寫操作的I/O函數時，select函數就會被調用，阻塞多個I/O操作，直到內核監聽到有數據返回時，select就反饋數據準備好了，系統再調用recvfrom處理數據。整個過程就好像在餐館點菜就餐一樣，餐館的客人非常多，但是廚師比較少，廚師一次只能回答一個客人的問題（如菜好了沒？），當有了服務員的存在后，我們只需要向服務員點菜、下單、取菜、付費就可以了，服務員就像我們的select函數，監聽多個客人的下單、上菜、買單事件，直到整個任務完成。

信號驅動型IO，即通過監聽信號來處理IO操作，省去了select函數的阻塞與輪詢。整個實現方法是在Socket套接字上安裝一個信號處理函數，進行信號驅動I/O，用戶進程繼續運行并不阻塞。當數據準備好時，進程就會收到一個sigio信號，此時便可調用recvfrom讀取數據。整個過程就像在餐館就餐一樣，在餐桌上有智能計菜儀，隨時感知做菜的進度，當有菜做好時，智能計菜儀便感知到了，通知服務員或客人取菜。

異步IO模型，即同時并行多件事情。用戶進程發起IO操作后，就去做其它的事情了，內核接受到用戶進程的消息時，會立刻返回結果并同時等到數據準備完成，再將數據拷貝到用戶內存，當所有的操作都完成時，內核給用戶進程發送信號告訴它事情已搞定。整個過程就像在餐館就餐一樣，客人下單后，廚師直接接單，當有菜做好時，廚師告訴用戶，菜做好了。

在上述我們介紹了五種IO模型，五個IO模型對比如下圖所示：

經過本文的講解，大家對計算機世界的IO掌握了嗎？我們的數據經過了九九八十一道關卡，才最終在電腦、iPad、手機等各個終端展現給到用戶，每一條數據都不容易，且行且珍惜噢～