五种IO模型

先明确核心前提：IO 的两个必经步骤

不管哪种 IO 模型，完成一次数据读写（比如从网卡读数据、从文件读数据）都要走两步：

1. 等待（Waiting）：内核等待数据准备好（比如网卡接收到完整的网络数据包、硬盘把数据加载到内存）；
2. 拷贝（Copying）：内核把准备好的数据拷贝到应用程序的内存空间（比如把网卡数据从内核缓冲区复制到你的代码能访问的内存）。

实际场景中，等待占了 99% 的时间（比如网卡等数据包可能要等 100ms，拷贝只需要 0.1ms），所以 IO 优化的核心就是 "怎么减少等待时间"。

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阻塞 IO

你去奶茶店点单后，站在柜台前一直等，不做任何事，直到奶茶做好（等待），然后亲手接过奶茶（拷贝）------ 全程被 "买奶茶" 这件事阻塞，没法干别的。

• 应用程序发起 IO 系统调用（比如read()）后，内核数据没准备好时，系统调用会一直挂起，应用程序被阻塞（CPU 不会给它分配时间片）；
• 直到内核数据准备好，内核把数据拷贝到应用程序内存，系统调用才返回，应用程序恢复运行；所有套接字（socket）默认都是阻塞模式

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非阻塞 IO

你去奶茶店点单后，店员告诉你 "还没好，你先走走"，你没闲着 ------每隔 1 分钟就回来问一次 "好了吗？"（轮询），直到问的时候奶茶做好了，你接过奶茶。

技术本质

• 先把文件描述符（比如 socket）设置为非阻塞模式（最后会讲解方法）；
• 应用程序发起 IO 系统调用后，内核数据没准备好时，系统调用会立刻返回EWOULDBLOCK错误码（表示 "暂时没数据，你别等了"），不会阻塞程序；
• 程序员需要写循环（轮询），反复调用 IO 接口，直到内核数据准备好，完成拷贝。

特点

✅ 优点

• 等待期间程序可以干其他事：比如在sleep(1)前加一行printf("轮询中，干其他事...\n");，就能在等待输入时执行其他逻辑；
• 不会被单个 IO 请求卡住：比如如果是网络 socket，非阻塞模式下不会因为一个 socket 没数据就卡住整个程序。

❌ 缺点

• CPU 空耗：即使加了sleep(1)，轮询还是会占用 CPU（如果去掉 sleep，CPU 会 100% 占用）；
• 代码逻辑复杂：需要处理read返回值的各种情况，比阻塞 IO 多很多判断。

📌 适用场景

• 极特殊的低延迟需求（比如高频次小数据读写）；
• 一般不单独使用，常和 IO 多路转接（epoll/select）结合（比如 epoll 监控非阻塞 socket，避免轮询空耗）。

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信号驱动 IO

你去奶茶店点单后，留了手机号，告诉店员 "做好了给我发个短信"，然后你去逛街（干别的事）------等收到短信（信号），再回来取奶茶。

2. 技术本质

• 应用程序先给文件描述符注册一个SIGIO信号处理函数（告诉内核：数据准备好时给我发这个信号）；
• 注册后应用程序可以正常运行，不用等待；
• 内核数据准备好后，会给应用程序发送SIGIO信号，应用程序收到信号后，再发起 IO 系统调用完成数据拷贝。

3. 关键区别

信号驱动 IO 只通知 "数据准备好了，可以开始拷贝了"，拷贝过程仍然是阻塞的 （比如收到信号后调用read()，拷贝时程序还是会卡住）。

4. 特点

• ✅ 优点：等待期间 CPU 完全解放，不用轮询，利用率高；
• ❌ 缺点：信号处理逻辑复杂（比如多个 IO 请求的信号可能混淆），且拷贝阶段仍阻塞；
• 📌 适用场景：少量 IO 请求、对 CPU 利用率要求高的场景（比如嵌入式设备）。

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IO 多路转接

你开了一家奶茶店雇了一个 "前台"------ 所有顾客点单后，都把订单交给前台，前台同时盯着所有订单的进度，哪个订单的奶茶做好了，就喊对应的顾客来取。你不用挨个问，只等前台通知。

2. 技术本质

• 核心是select/poll/epoll（Linux）、kqueue（BSD）等多路转接函数，它们能同时监控多个文件描述符的就绪状态（比如 "是否有数据可读"）；
• 应用程序调用epoll_wait()后，内核会阻塞这个调用，但会同时监控所有注册的文件描述符；
• 只要有任意一个文件描述符的数据准备好，epoll_wait()就会返回，告诉应用程序 "哪个描述符就绪了"；
• 应用程序再针对就绪的描述符发起 IO 调用，完成拷贝。

3. 关键区别

• 看似和阻塞 IO 一样 "等"，但阻塞 IO 是 "等一个"，多路转接是 "等多个"------ 比如一个进程用epoll可以监控 1000 个 socket，只要有一个有数据，就处理哪个；
• 等待阶段是内核帮你批量等，CPU 利用率远高于阻塞 IO。

4. 特点

• ✅ 优点：能高效处理高并发（比如单进程处理上万的 socket 连接），CPU 利用率高；
• ❌ 缺点：拷贝阶段仍然是阻塞的；
• 📌 适用场景：网络编程的核心场景（比如 Web 服务器、游戏服务器），是目前高并发 IO 的主流方案（Nginx、Redis 都用epoll）。

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异步 IO

1. 通俗类比

你在奶茶店点单后，直接告诉店员 "做好了帮我送到家"，然后你该干啥干啥 ------既不用等，也不用自己取，全程不用管，直到奶茶送到家（你负责在拷贝完成后直接使用，而不需要关系拷贝本身）。

2. 技术本质

• 应用程序发起异步 IO 调用（比如 Linux 的aio_read()），告诉内核 "我要读数据，读完了通知我"，然后立刻返回，完全不阻塞；
• 内核会自己完成 "等待数据准备好 + 拷贝数据到应用程序内存" 的全部过程；
• 等所有步骤都完成后，内核才会通知应用程序（比如通过信号或回调函数）。

3. 关键区别

和信号驱动 IO 的核心差异：

• 信号驱动 IO：内核通知 "可以开始拷贝了"（只完成等待）；
• 异步 IO：内核通知 "拷贝已经完成了"（等待 + 拷贝都完成）。

4. 特点

• ✅ 优点：IO 全程不阻塞应用程序，CPU 利用率最高；
• ❌ 缺点：实现复杂，操作系统支持有限（如 Linux 的异步 IO 对文件 / 网络的支持不完全）
• 📌 适用场景：超大规模并发、对响应时间要求极高的场景（比如分布式存储系统）。

关于异步IO的具体实现等我们复习到了c++11的异步关键字了再说

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非阻塞 IO 的实现

非阻塞 IO 的本质是：文件描述符（fd）被设置为非阻塞后，调用read()/write()等 IO 函数时，内核若未准备好数据，函数会立刻返回（而非阻塞等待），并返回错误码（通常是EWOULDBLOCK或EAGAIN）。

• 标准输入（fd=0）、socket 等默认都是阻塞模式：比如阻塞模式下read(0, ...)会一直等你输入，程序卡着不动；
• 设为非阻塞后：read(0, ...)会立刻返回 ------ 有输入就读数据，没输入就返回错误，程序不会卡。

fcntl 函数

fcntl是 Linux 下操作文件描述符属性的多功能函数，我们只关注它的获取 / 设置文件状态标记功能（对应cmd=F_GETFL/F_SETFL）：

• F_GETFL：读取当前文件描述符的 "状态标记"（比如是否是阻塞、是否是只读 / 只写等，本质是一个位图）；
• F_SETFL：修改文件描述符的 "状态标记"；
• O_NONBLOCK：非阻塞标志 ------ 给状态标记加上这个值，文件描述符就变成非阻塞模式。

2. 为什么不能直接设置，要 "先读再改"？

文件描述符的状态标记是位图（比如阻塞 = 0、非阻塞 = 1，只读 = 2、只写 = 4...），如果直接用F_SETFL设置O_NONBLOCK，会覆盖原有属性（比如原本是 "只读 + 阻塞"，直接设成O_NONBLOCK会丢失 "只读" 属性）。所以正确做法是：先读取原有属性 → 加上非阻塞标志 → 再写回去。

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SetNoBlock 函数

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h> // 补充perror需要的头文件

void SetNoBlock(int fd) {
    // 步骤1：读取fd当前的状态标记
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0) { // 读取失败（比如fd无效）
        perror("fcntl"); // 打印错误原因
        return;
    }
    // 步骤2：修改状态标记------保留原有属性，新增O_NONBLOCK
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

1. int fl = fcntl(fd, F_GETFL);

   • 调用fcntl，传入cmd=F_GETFL，表示 "读取 fd 的状态标记"；
   • 返回值fl是一个整数，每一位代表一个属性（比如第 0 位 = 1 表示非阻塞，第 1 位 = 1 表示只读...）。

2. if (fl < 0) { perror("fcntl"); return; }

   • 如果返回值 < 0，说明读取失败（比如 fd 是无效的，或者没有权限）；
   • perror("fcntl")会打印具体错误（比如 "fcntl: Bad file descriptor" 表示 fd 无效）。

3. fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);

   • fl | O_NONBLOCK：按位或操作 ------ 保留fl原有所有属性，同时把 "非阻塞位" 设为 1；
   • 传入cmd=F_SETFL，把修改后的状态标记写回 fd，此时 fd 就变成非阻塞模式。

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轮询读取标准输入：非阻塞 IO 的实战

标准输入的 fd 是 0，下面的代码把 fd=0 设为非阻塞，然后用循环 "轮询" 读取输入（非阻塞 IO 的典型用法）：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h> // 补充memset需要的头文件

void SetNoBlock(int fd) {
    int fl = fcntl(fd, F_GETFL);
    if (fl < 0) {
        perror("fcntl");
        return;
    }
    fcntl(fd, F_SETFL, fl | O_NONBLOCK);
}

int main() {
    // 步骤1：将标准输入（fd=0）设为非阻塞
    SetNoBlock(0);

    // 步骤2：无限循环轮询读取输入
    while (1) {
        char buf[1024] = {0}; // 初始化缓冲区
        // 步骤3：非阻塞读取标准输入
        ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);
        
        // 步骤4：处理read的返回值
        if (read_size < 0) {
            // 读取失败：非阻塞模式下，无数据时会返回-1，错误码是EWOULDBLOCK/EAGAIN
            perror("read"); 
            sleep(1); // 轮询间隔，避免CPU空耗
            continue; // 继续下一次循环
        }
        // 步骤5：读取成功，打印输入内容
        printf("input:%s\n", buf);
        // 清空缓冲区（可选，避免残留数据）
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }
    return 0;
}