一. POSIX對同步、異步I/O的定義

我們先大致看看POSIX對同步、異步的定義，不用細究，重點看我標紅的部分就行。

同步I/O會導致請求進程阻塞，直到I/O操作完成；

異步I/O不會導致請求進程阻塞。

二. 同步、異步，阻塞、非阻塞

個人理解同步與否與阻塞與否只是看待問題的不同維度，不用過于追究同步和阻塞有什么區別、以及異步和非阻塞有什么區別。

我用小明購買火車票的例子大致先講述下同步、異步，阻塞、非阻塞這幾種情況的組合。

同步阻塞，小明去火車站買票。首先，他需要在某一個售票窗口排隊，當輪到他買票時，他需要告訴售票員他需要一張去上海的火車票，然后售票員需要去系統查詢是否還有余票，有的話再收款出票，最后再把票給小明。在火車票到手之前，小明都不能做其他的事情，這種情況我們可以理解為阻塞。

同步非阻塞，小明委托黃牛幫忙買火車票，然后小明可以做其他事情，但是需要每隔10分鐘就打電話去詢問黃牛票是否買到。黃牛買到票后，打電話通知小明說票已經買到，小明再去黃牛那里取火車票。這里的非阻塞指的是黃牛在買票的過程中，小明是不用等待的，他可以做其他事情，只是需不時地去詢問黃牛票是否買好。但是，在小明去黃牛那里取票的過程中，小明還是不能做其他事情。

異步阻塞，基本上沒有這個說法。

異步非阻塞，小明委托黃牛幫忙買火車票，然后小明可以做其他事情，黃牛買好票后會自動把票送到小明的家里。在這整個過程中，小明都可以做他自己想做的事情，不會被阻塞。

三. Unix中的I/O模型

OK，有了上面的基礎過后，我們可以開始講I/O模型了。

在網絡Socket的輸入操作中，I/O大致可以分為兩個階段，這個兩個階段大家務必掌握：

數據從網絡中抵達，然后數據被復制到系統內核的緩沖區；

系統內核將內核緩沖區中的數據復制到用戶進程的緩沖區中。

在Unix中有5種I/O模型，它們是：

阻塞式I/O

非阻塞式I/O

多路復用I/O

信號驅動I/O

異步I/O

下面，我們逐一分析每種I/O模型。

1.阻塞式I/O

阻塞式I/O，即Blocking I/O。用戶發起一個recvfrom系統調用，內核會等待數據從網絡中到達。一旦數據準備就緒，系統內核將把自己的緩沖區中的數據拷貝到用戶進程的緩沖區。在系統內核等待數據、復制數據的過程中，用戶進程是不能做其他任何事情的，只能等待內核完成上述一系列的操作。

2.非阻塞式I/O

與阻塞式I/O不同，非阻塞式I/O中，用戶進程在發起recvfrom系統調用后可以立即返回，但是用戶進程需要不時地循環詢問系統內核數據是否已經準備就緒，即輪詢（polling）。輪詢往往會消耗大量的CPU時間。

下圖中，用戶進程發起recvfrom系統調用，由于系統內核中數據尚未就緒，內核會立即返回EWOULDBLOCK錯誤碼，防止用戶進程阻塞。如此往復，直到系統內核中數據準備就緒。在數據就緒前，用戶進程是非阻塞的，這也就是為什么這種模型叫非阻塞式I/O的原因。數據就緒后，和阻塞式I/O一樣，內核將數據拷貝至用戶進程，在數據拷貝的過程中，用戶進程是阻塞的。

3.多路復用I/O

多路復用I/O的關鍵函數為select或者poll。我們以select函數為例，當我們調用該函數時，用戶進程將阻塞，直到系統內核中的數據準備好。數據就緒后，系統會通知用戶進程數據已經可讀，然后用戶進程會發起recvfrom系統調用，將數據從內核拷貝到用戶進程，在數據拷貝期間，用戶進程是阻塞的。

使用多路復用的優勢是我們可以等待多個描述符就緒，對應到Java NIO多路復用模型中就是我們可以使用一個線程監聽多個Channel的請求。

4.信號驅動I/O

信號驅動I/O模型主要是讓內核在描述符就緒的時候發送SIGIO信號通知用戶進程，據我的了解，這種I/O模式運用的并不多，這里就不多描述，直接看圖吧。

5.異步I/O

用戶進程在調用異步I/O函數后會立即返回，并且會讓內核在完成所有操作后通知用戶進程。在內核進行I/O操作的期間，我們的用戶進程不會阻塞。特別需要注意的是，和前面四中I/O模型不同，異步I/O模型在內核將數據拷貝到用戶進程時，我們的用戶進程不會阻塞。

四. I/O模型對比

對比上述5中I/O模型我們可以發現，前面4種模型的區別主要在第一階段，而第二階段都是一樣的，即將數據從內核拷貝到用戶進程時都會阻塞。根據POSIX對同步、異步I/O的定義，可以得出前4種模型都屬于同步I/O。而第5種I/O，即異步I/O，兩個階段的操作都是由系統內核來處理的，用戶進程并沒有介入。