前面兩篇介紹按鍵的文章，無論是用GPIO來讀取，還是用中斷的方式，其應(yīng)用程序通過循環(huán)讀取的方式獲取按鍵值，都會(huì)使得CPU的占用率很高。本篇先來介紹Linux中幾種的I/O模型，以后使用這類方式進(jìn)行按鍵值的讀取，可以極大降低CPU的使用率。

1 Linux中的I/O模型

這里以網(wǎng)絡(luò)I/O為例進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)IO的本質(zhì)是socket的讀取，socket在linux系統(tǒng)被抽象為流，對于一次IO訪問，以read為例，當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：

等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)

將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)

網(wǎng)絡(luò)I/O的模型，可以分為五種，這里先分類列出：

2 五種I/O模型分析

2.1 阻塞式I/O模型

阻塞式I/O模型是最常用、最簡單的模型。阻塞就是進(jìn)程被休息, CPU處理其它進(jìn)程去了。

應(yīng)用程序進(jìn)行recefrom系統(tǒng)調(diào)用，操作系統(tǒng)收到recefrom系統(tǒng)調(diào)用請求，經(jīng)過兩個(gè)階段：

等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到用戶緩沖區(qū)

這兩個(gè)階段完成后調(diào)用返回，應(yīng)用程序解除阻塞。

2.2 非阻塞式I/O模型

非阻塞就是輪詢的方式，在這種模型中， I/O操作不會(huì)立即完成，recefrom操作可能會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼，說明這個(gè)命令不能立即滿足。

對于第一個(gè)階段：

等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

在這個(gè)階段系統(tǒng)調(diào)用會(huì)立刻返回一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)，不會(huì)阻塞，應(yīng)用程序需要不斷輪詢，直到內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

對于第二個(gè)階段：

內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)

這個(gè)階段應(yīng)用程序的調(diào)用會(huì)被阻塞，直到拷貝完成，應(yīng)用程序的系統(tǒng)調(diào)用返回。

2.3 I/O復(fù)用模型

由于非阻塞I/O方式需要不斷輪詢，會(huì)消耗大量的CPU時(shí)間，而后臺又可能有多個(gè)任務(wù)在同時(shí)輪詢，為此，人們就想到了一種方式：循環(huán)查詢多個(gè)任務(wù)的完成狀態(tài)，只要有任何一個(gè)任務(wù)完成，就去處理它。

IO多路復(fù)用有兩個(gè)特別的系統(tǒng)調(diào)用select、poll。

select可以等待多個(gè)socket，能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多個(gè)IO端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)其中任何一個(gè)socket的數(shù)據(jù)準(zhǔn)好了，就能返回進(jìn)行可讀，然后進(jìn)程再進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用，將數(shù)據(jù)由內(nèi)核拷貝到用戶進(jìn)程，這個(gè)過程是阻塞的。

2.4 信號驅(qū)動(dòng)式I/O模型

應(yīng)該程序進(jìn)行Read系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行不會(huì)阻塞，立即返回，等待內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，通過SIGIO信號通知應(yīng)用程序，應(yīng)用程序再進(jìn)行Read系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，調(diào)用完成。

2.5 異步I/O模型

相對于同步IO，異步IO不是順序執(zhí)行。用戶進(jìn)程進(jìn)行aio_read系統(tǒng)調(diào)用之后，無論內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，都會(huì)直接返回給用戶進(jìn)程，然后用戶態(tài)進(jìn)程可以去做別的事情。等到socket數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，內(nèi)核直接復(fù)制數(shù)據(jù)給進(jìn)程，然后從內(nèi)核向進(jìn)程發(fā)送通知。IO兩個(gè)階段，進(jìn)程都是非阻塞的。

3 模型對比

3.1 阻塞I/O與非阻塞I/O對比

簡單理解為需要做一件事能不能立即得到返回應(yīng)答，如果不能立即獲得返回，需要等待，那就阻塞了，否則就可以理解為非阻塞。詳細(xì)區(qū)別如下圖所示：

3.2 同步I/O與異步I/O對比

實(shí)際上同步與異步是針對應(yīng)用程序與內(nèi)核的交互而言的。

同步過程中進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否完成。

異步過程中進(jìn)程觸發(fā)IO操作以后，直接返回，做自己的事情，IO交給內(nèi)核來處理，完成后內(nèi)核通知進(jìn)程IO完成。

同步與異步如下圖所示：

對于Liunx的五種I/O模型，其實(shí)主要在等待數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)復(fù)制這兩個(gè)時(shí)間段不同。

4 各種I/O模型的生活場景式類比

4.1 類比1-飯店點(diǎn)菜

我們?nèi)ゲ蛷d吃飯，會(huì)經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：首先根據(jù)菜單點(diǎn)菜，然后等待廚房準(zhǔn)備好，接著服務(wù)員上菜。在這個(gè)場景中，等待廚房準(zhǔn)備菜肴等同于等待數(shù)據(jù)，服務(wù)員上菜等同于將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶空間，你就是用戶態(tài)進(jìn)程了，服務(wù)員和飯店看作是內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程。

阻塞式I/O模型：只點(diǎn)一個(gè)菜，然后在餐桌上開始等待，在這個(gè)過程中什么事都不干，等服務(wù)員把菜上到桌子上之后才開始大快朵頤。

非阻塞式I/O模型：只點(diǎn)一個(gè)菜，然后開始等待，啥事都不做，等了一會(huì)兒然后就去問服務(wù)員，“我的菜好了嗎？”，沒好接著等待，過了一會(huì)兒然后又跑去問....重復(fù)這個(gè)過程，直到服務(wù)員說“親，你的菜好了，我現(xiàn)在給您送桌上去”，然后你坐在桌子上，等待服務(wù)員把飯菜送到你的餐桌上，才開始吃飯。

I/O復(fù)用模型：你點(diǎn)了很多菜，然后開始等待，某個(gè)時(shí)刻其中一個(gè)菜或者多個(gè)菜廚房里同時(shí)好了，服務(wù)員跑過來說，“親，您的有些菜好了，要現(xiàn)在上桌么？”， 你回答，現(xiàn)在就上，于是服務(wù)員上一個(gè)菜（服務(wù)員一次只能上一個(gè)菜），你就吃完一個(gè)，上一個(gè)你就吃完一個(gè)。。。

信號驅(qū)動(dòng)式I/O模型：只點(diǎn)一個(gè)菜，然后給服務(wù)員留下手機(jī)，告訴他菜準(zhǔn)備好了打個(gè)電話給你，先不要上菜，然后你就出去玩耍了，等到菜好了，服務(wù)員手機(jī)通知你，你立馬回到了餐廳，對服務(wù)員說“你現(xiàn)在可以上菜了”，于是你在餐桌上等待服務(wù)員把菜送上來，然后吃飯。

異步I/O模型：只點(diǎn)一個(gè)菜，然后給服務(wù)員留下手機(jī)，告訴他菜準(zhǔn)備好了先上菜，菜上桌了打電話給你，然后你就出去玩耍了，等到菜上桌了，服務(wù)員手機(jī)通知你，你立馬回到了餐桌，開始吃飯。

該例子出自: https://segmentfault.com/a/1190000016359495

4.2 類比2-釣魚

有A，B，C，D四個(gè)人在釣魚。

阻塞式I/O模型：A用的是最老式的魚竿，所以呢，得一直守著，等到魚上鉤了再拉桿；

非阻塞式I/O模型：B的魚竿有個(gè)功能，能夠顯示是否有魚上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會(huì)再看看有沒有魚上鉤，有的話就迅速拉桿；

I/O復(fù)用模型：C用的魚竿和B差不多，但他想了一個(gè)好辦法，就是同時(shí)放好幾根魚竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說魚上鉤了，它就將對應(yīng)的魚竿拉起來；

異步I/O模型：D是個(gè)有錢人，干脆雇了一個(gè)人幫他釣魚，一旦那個(gè)人把魚釣上來了，就給D發(fā)個(gè)短信。

該例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

4.3 類比3-銀行存錢匯款

阻塞式I/O模型：你去一個(gè)銀行柜臺存錢。首先，你會(huì)將存錢的單子填好，交給柜員，之后，你就坐在柜臺前等。柜員辦好以后會(huì)給你一個(gè)回執(zhí)，表示辦好了，然后你就可以拿著回執(zhí)干其它的事了。注意，這時(shí)如果你馬上去查賬，存的錢已經(jīng)打到你的賬戶上了。

非阻塞式I/O模型：這次不是去銀行存錢，而是去銀行匯款。同樣的，你也需要填寫匯款單然后交給柜員，柜員進(jìn)行一些簡單的手續(xù)處理就能夠給你回執(zhí)。但是，你拿到回執(zhí)并不意味著錢已經(jīng)打到了對方的賬上。事實(shí)上，一般匯款的周期大概是24個(gè)小時(shí)左右，如果你要以存錢的模式來匯款的話，意味著你需要在銀行等24個(gè)小時(shí)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

I/O復(fù)用模型：比如說一個(gè)銀行柜臺，現(xiàn)在有10個(gè)人想存錢。這10個(gè)人都填好存款單，然后都提交給柜臺，提交完之后所有的10個(gè)人就在銀行大廳等待。這時(shí)候會(huì)專門有個(gè)人，他會(huì)了解存款單處理的情況，一旦有存款單處理完畢，他會(huì)將回執(zhí)交給相應(yīng)的正在大廳等待的人，這個(gè)拿到回執(zhí)的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的這個(gè)專人，就對應(yīng)于select函數(shù)。

異步I/O模型：現(xiàn)在某銀行新開通了一項(xiàng)存錢業(yè)務(wù)。用戶之需要將存款單交給柜臺，然后無需等待就可以離開了。柜臺辦好以后會(huì)給用戶發(fā)送一條短信，告知交易成功。這樣用戶不需要在柜臺前進(jìn)行長時(shí)間的等待，同時(shí)，也能夠得到確切的消息知道交易完成。

該例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/4270633

5 總結(jié)

本篇介紹了Linux中的五種I/O模型：阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O復(fù)用模型、信號驅(qū)動(dòng)式I/O模型、異步I/O模型，并通過生活中實(shí)際的場景進(jìn)來類比。