最近看到OVS用户态的代码，在接收内核态信息的时候，使用了Epoll多路复用机制，对其十分不解，于是从网上找了一些资料，学习了一下《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》这本书对应的章节，网上虽然关于该主题的博文很多，并且讲解的很详细，但是在这里还是做一个学习笔记，记录一下自己的想法。

IO模型

在《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》这本书中，提到了五种I/O模型，分别为：阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O复用（Epoll、select都是一种I/O复用机制），信息驱动式I/O、异步I/O，下面具体的一一介绍。

阻塞式I/O模型
阻塞，顾名思义，当进程在等待数据时，若该数据一直没有产生，则该进程将一直等待，直到等待的数据产生为止，这个过程中进程的状态是阻塞的。

如上图所示，在linux中，用户态进程调用recvfrom系统调用接收数据，当前内核中并没有准备好数据，该用户态进程将一直在此等待，不会进行其他的操作，待内核态准备好数据，将数据从内核态拷贝到用户空间内存，然后recvfrom返回成功的指示，此时用户态进行才解除阻塞的状态，处理收到的数据。

非阻塞式I/O模型
在非阻塞式I/O模型中，当进程等待内核的数据，而当该数据未到达的时候，进程会不断询问内核，直到内核准备好数据。

如上图，用户态进程调用recvfrom接收数据，当前并没有数据报文产生，此时recvfrom返回EWOULDBLOCK，用户态进程会一直调用recvfrom询问内核，待内核准备好数据的时候，之后用户态进程不再询问内核，待数据从内核复制到用户空间，recvfrom成功返回，用户态进程开始处理数据。

I/O复用模型
在ovs的用户态源码里，就用到了I/O复用模型，在计算机网络里面，有很多关于“复用”的用法，比如多路复用，意思就是本来一条链路上一次只能传输一个数据流，如果要实现两个源之间多条数据流同时传输，那就得需要多条链路了，但是复用技术可以通过将一条链路划分频率，或者划分传输的时间，使得一条链路上可以同时传输多条数据流。

套用到I/O复用模型上，可以对应到如下应用场景：如果一个进程需要等到多种不同的消息，那么一般的做法就是开启多条线程，每个线程接收一类消息，如果每个线程都是采用阻塞式I/O模型，那么每个线程在消息未产生的时候就会阻塞，也就是说在多线程中使用阻塞式I/O。I/O复用就是基于上述的场景中，无需采用多线程监听消息的方式，进程直接监听所有的消息类型，这其中就涉及到select、poll、epoll等不同的方法。

如上图所示，用户态进程采用select的方法，通过select可以等待多个不同类型的消息，如果其中有一个类型的消息准备好，则select会返回信息，然后用户态进程调用recvfrom接收数据。

信号驱动式I/O模型
在信号驱动式I/O模型中，与阻塞式和非阻塞式有了一个本质的区别，那就是用户态进程不再等待内核态的数据准备好，直接可以去做别的事情。

如上图所示，当需要等待数据的时候，首先用户态会向内核发送一个信号，告诉内核我要什么数据，然后用户态就不管了，做别的事情去了，而当内核态中的数据准备好之后，内核立马发给用户态一个信号，说”数据准备好了，快来查收“，用户态进程收到之后，立马调用recvfrom，等待数据从内核空间复制到用户空间，待完成之后recvfrom返回成功指示，用户态进程才处理别的事情。

异步I/O模型
异步I/O模型相对于信号驱动式I/O模型就更彻底了。

如上图，首先用户态进程告诉内核态需要什么数据（上图中通过aio_read），然后用户态进程就不管了，做别的事情，内核等待用户态需要的数据准备好，然后将数据复制到用户空间，此时才告诉用户态进程，”数据都已经准备好，请查收“，然后用户态进程直接处理用户空间的数据。

同步I/O
《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》这本书中，并没有把同步I/O作为一种单独的I/O模型来说明，在没有阅读这些资料之前，我一直认为阻塞式I/O等同于同步I/O，非阻塞式I/O等同于异步I/O，可见不能单纯的通过字面意思就进行判断。

通过对上述几种I/O模型的描述中，可以得到一个结论：阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O复用模型是同步I/O模型，因为在等待数据的过程中，这三种模型中的进程都没有去做别的事情，即便是非阻塞式的轮询，也可以看作是一种同步。

同时书中也认为信号驱动式I/O模型是同步I/O，书中说到：POSIX将同步IO操作定义为“导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成”，而书中认为在信号驱动式I/O模型中等待数据的那段时间不算是真正的I/O操作（因为没有调用I/O相关的系统调用），而数据从内核复制到用户空间才是真正的I/O操作（这个时候调用了recvfrom系统调用）。

I/O模型比较
书中的这张图表述的非常清楚，从等待数据和数据复制这两个时间段，指出了不同I/O模型的区别，这里不再赘述。

总结
从网上看了很多资料，不同的博主对这五个模型总结的情况不同，无一例外，基本都采用一个生活场景来描述他们的不同，但是我个人觉得有些场景描述太过简单，没有将不同模型的区别描述完全，在这里我也举一个生活中的场景作为总结，当然这只是我自己的想法，不妥之处评论区可以指出。

我们去餐厅吃饭，会经过以下几个步骤：首先根据菜单点菜，然后等待厨房准备好，接着服务员上菜。在这个场景中，等待厨房准备菜肴等同于等待数据，服务员上菜等同于将数据从内核复制到用户空间，你就是用户态进程了，服务员和饭店看作是内核态的进程。

阻塞式I/O模型：只点一个菜，然后在餐桌上开始等待，在这个过程中什么事都不干，等服务员把菜上到桌子上之后才开始大快朵颐。

非阻塞式I/O模型：只点一个菜，然后开始等待，啥事都不做，等了一会儿然后就去问服务员，“我的菜好了吗？”，没好接着等待，过了一会儿然后又跑去问….重复这个过程，直到服务员说“亲，你的菜好了，我现在给您送桌上去”，然后你坐在桌子上，等待服务员把饭菜送到你的餐桌上，才开始吃饭。

I/O复用模型：你点了很多菜，然后开始等待，某个时刻其中一个菜或者多个菜厨房里同时好了，服务员跑过来说，“亲，您的有些菜好了，要现在上桌么？”， 你回答，现在就上，于是服务员上一个菜（服务员一次只能上一个菜），你就吃完一个，上一个你就吃完一个。。。

信号驱动式I/O模型：只点一个菜，然后给服务员留下手机，告诉他菜准备好了打个电话给你，先不要上菜，然后你就出去玩耍了，等到菜好了，服务员手机通知你，你立马回到了餐厅，对服务员说“你现在可以上菜了”，于是你在餐桌上等待服务员把菜送上来，然后吃饭。

异步I/O模型：只点一个菜，然后给服务员留下手机，告诉他菜准备好了先上菜，菜上桌了打电话给你，然后你就出去玩耍了，等到菜上桌了，服务员手机通知你，你立马回到了餐桌，开始吃饭。

参考资料
UNIX网络编程卷1：套接字联网API
网络IO之阻塞、非阻塞、同步、异步总结
IO – 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇）