一、IO面向对象

IO参与者有应用、系统、用户空间、磁盘.下面列举不同的面对对象的支持情况.

面向对象	支持IO类型
面向java	bio、nio、aio
面向磁盘存储	线性结构、链式结构
面向系统内核	直接IO、缓存IO（标准IO）
面向用户、系统	同步阻塞IO[bio] 、 同步非阻塞IO[线程池bio]、异步阻塞 IO(多路复用I/O )[select、poll、epoll]、 信号驱动IO

二、直接与缓存IO区别

IO面向内核	区别
直接IO概念	程序访问数据不经过内核缓存区，直接访问磁盘、网卡等其他设备的IO过程
缓存IO概念	程序访问数据，先将数据copy到系统内核，然后从系统内核copy到用户空间
直接IO与缓冲IO区别	程序访问数据,数据是否进过系统内核，操作系统为了系统安全和缓存的需要，用户读取数据需要先读取到系统内核，然后从系统内核copy到用户空间，这种模式隔离用户空间和系统空间提高系统的安全，数据缓存到系统内核，不必每次读取数据都从磁盘读取提高程序的性能，但是在不需要反复数据读取处理的场景(比如kafka)，缓存I/O会多一层读取内核操作，浪费cpu和内存资源。关于直接I/O Linux使用很多技术待I/O模型技术实现分解.

三、IO与磁盘存储

磁盘存储结构	解释说明
线性结构	程序存储数据时，申请一块连续的磁盘空间，然后将数据顺序写入磁盘，此种模式硬盘无需寻址，写入性能接近内存写入速度
链式结构	程序存储数据时候，申请一块非连续的磁盘空间，写入磁盘时候程序需要寻址速度慢。 两种区别：程序存储时候申请硬盘是连续磁盘空间，还是逻辑连续的磁盘空间，连续的磁盘空间程序写入性能好，但是硬盘空间利用率差，逻辑连续的硬盘资源反之

四、同步、异步，阻塞、非阻塞定义?

IO名词	面对对象	区别
同步	IO会阻塞用户进程	进程触发IO操作是否会阻塞用户进程，用户的cup此时是否释放，所以同步异步针对的是用户进程
异步	IO不会阻塞用户进程
阻塞	用户进程需等待内核copy数据到用户空间的过程	触发read()操作后，系统内核是否会立刻返回状态还是等待， 所以阻塞非阻塞是针对操作系统内核。
非阻塞	用户进程不需等待内核copy数据到用户空间的过程

五、同步阻塞

用户发起IO操作后，用户进程阻塞等待内核响应，此时系统内核发生上下文切换，等待内核将数据copy到用户空间，这个过程看似紧密有序，但是有用户线程和内核线程等待，所以同步阻塞I/O是一种低效I/O

六、同步非阻塞

用户发起IO操作后，用户进程阻塞等待内核响应，此时系统内核立刻返回成功，当read()响应完成，系统内核会产生一个信号或者基于一个线程回调函数完成IO过程。

linux同步非阻塞IO模型：当用户发起IO请求，用户进程阻塞，此时read()响应错误代码，内核响应未就绪，程序需要多次请求确认内核就绪，严格意义上讲此时内核是阻塞的，在等待内核响应有一定的时间间隔，所以同步非阻塞I/O也是一种低效I/O。

七、异步阻塞IO[多路复用IO模型]

当用户发起IO请求，此时用户进程不被阻塞，此时内核配置的IO是非阻塞的IO，操作系统会阻塞select来监视内核是否就绪，如果内核就绪就通知应用处理。此IO模型也叫多路复用IO模型，只是缓解内核阻塞，但是高性能的IO操作仍然会有性能问题，目前是linux主流的IO模型。

总结：此I/O模型是linux最成熟稳定的I/O模型，linux做大量的技术优化(比如：select、poll、epoll)，许多高性能框架都是基于此I/O模型，比如 netty，mina等。

linux异步阻塞IO实现

多路复用	IO模型	性能	成熟度	内核处理方式
	select	差	高	对全部的文件描述符遍历，不管是否准备好，浪费cup资源
	poll	中	高	poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个文件描述符对应的设备状态。相比select不用全局遍历.但是poll本质还是要顺序遍历不断从用户传递过来的文件描述符状态,因此性能会受到一定限制
	epoll	好[linux默认io]	差	内核callback通知用户进程io状态，这种模式从下面几点保证其性能好相对poll模式 设计算法、不重复copy 文件描述符号状态

八、异步非阻塞

用户发起IO请求，此时用户进程不被阻塞，此时内核配置的IO是非阻塞的IO，当内核就绪后回调通知用户线程完成IO处理流程，linux 信号驱动IO、异步IO都是此类IO模型.

8.1、信号驱动IO

信号驱动IO模型：首先开启套接口信号驱动IO功能，并通过系统调用sigaction 执行一个信号处理函数（此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的）。当数据准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知应用程序调用recvfrom 来读取数据，并通知主循环函数处理数据.

8.2、异步IO

异步IO：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后（包括将数据从 内核复制到用户自己的缓冲区）通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别是：信号 驱动IO由内核通知我们何时可以开始一个IO操作；异步IO模型由内核通知我们IO 操作何时已经完成.

九、epoll相对优点?

现比较epoll的优点主要和select、poll对比, 信号驱动IO,异步IO不再本次讨论范围类,这两种IO模型还不太成熟.epoll解决随着文件描述符增加,poll、select性能的线性下降.

9.1、epoll数据结构跟优秀

IO模型	数据结构	时间复杂度
select	链表	O(n)
poll	链表	O(n)
epoll	红黑树+链表	O(logn)

9.1.1、select、poll数据结构比较

select、poll数据结构是链表结构,他们两者的区别是select遍历全部的用户文件描述符,poll遍历用户copy的文件描述符号数组,降低了遍历的数量,其他方式没有变化.

9.1.2、epoll高性能原因

新建epoll描述符 == epoll_create()

epoll把用户关心的文件描述符上的事件放在内核里的一个事件表中，从而无须像select和poll那样每次调用都要重复传入文件描述符集或事件集。

epoll需要使用一个额外的文件描述符，来唯一标识内核中的这个事件表。 这个文件描述符使用如下epoll_create函数来创建

添加或者删除所有待监控的连接 == epoll_ctl()

epoll_ctl函数添加进来的事件都会被放在红黑树的某个节点内，所以，重复添加是没有用的，红黑树本身插入和删除性能比较好，时间复杂度O(logN)

返回的活跃连接 == epoll_wait（ epoll描述符 ）

epoll_wait只需要检查rdlist双向链表中是否有存在注册的事件

9.1.3、poll、epoll性能测试

select、poll的内部实现机制相似，性能差别主要在于向内核传递参数以及对fdset的位操作上，另外，select存在描述符数的硬限制，不能处理很大的描述符集合。这里主要考察poll与epoll在不同大小描述符集合的情况下性能的差异。程序会统计在不同的文件描述符集合的情况下，1s内poll与epoll调用的次数。统计结果如下，从结果可以看出，对poll而言，每秒钟内的系统调用数目虽集合增大而很快降低，而epoll基本保持不变，具有很好的扩展性。在10万文件描述符的场景下,epoll的性能是poll的1000倍.

描述符集合大小	poll	epoll
1	331598	258604
10	330648	297033
100	91199	288784
1000	27411	296357
5000	5943	288671
10000	2893	292397
25000	1041	285905
50000	536	293033
100000	224	285825

十、IO模型与硬件

6.1、IO读写流程

1、IO读流程

用户空间读请求-->Linux内核空间-->在pageCache查询缓存-->未查询到os内核在内存映射的目标数据(缺页)-->获取逻辑地址(获取page对应块地址)-->块地址获取磁盘物理地址-->通过SASI指令操作硬盘读取物理地址内容-->数据返回到系统内核（此过程通过DMA技术直接copy到内存，不需要cup参与）-->数据通过内核返回到用户空间

2、IO写流程

用户空间写请求-->将文件写入pageCache-->获取逻辑地址(获取page对应块地址)-->块地址获取磁盘物理地址-->通过SASI指令操作硬盘读取物理地址内容-->pageCache在合适的时机将脏页刷新到磁盘

3、IO读写流程总结

系统在读写的时候参与方可能有 cup、内存、硬盘、网卡、显卡等等外接设备，分析过程发现三个特点

• 这个读写过程都有经过操作系统内核
• 读写过程都经过用户空间
• 通过DMA技术对第三方外设进一步抽象，让CPU无需关注外设copy数据到系统内核过程。

6.2、IO模型与linux协议

1.4、名词解释：

硬件名词解释

DMA技术：它允许某些电脑内部的硬件子系统（外设），可以独立地直接读写系统内存，而不需中央处理器介入处理，同等情况下降低cup负担。

PIC总线：cpu访问其他pic设备的通道。

SAS控制器：一种新型的磁盘链接技术。

MCU微控单元：一种微型计算机简称单片机。

MMU内存管理单元：分页内存管理单元，功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制。

LBA逻辑地址块：存储设备物理地址与逻辑地址映射关系

Linux名词解释

脏页：被修改过的页

扇区：磁盘存储的最小单位

磁盘块：文件系统读写数据的最小单位

页：内存存储的最小单位，他是位于内存和文件系统之间的缓存区域，操作系统通过地址映射将文件系统映射为页的级别。

pageCache：页高速缓冲存储器，简称页高缓。page cache的大小为一页，通常为4K。在linux读写文件时，它用于缓存文件的逻辑内容，从而加快对磁盘上映像和数据的访问。

机型硬盘容量：硬盘容量大小=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数