linux io模型 linux中断向量表
干货 五种IO模型的特点以及比较
为了保证操作系统的安全，将内存划分为内核空间和用户空间。内核空间的进程，可以访问硬件执行IO等操作，用户空间的进程只能通过系统调用来访问IO等系统资源。
对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后再拷贝到应用程序的地址空间。
所以，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段
正是因为这两个阶段，linux系统产生了下面五种网络模型：
在linux下，默认情况下所有的socket都是blocking的，流程如下图所示：
进程调用recvfrom系统调用来读取数据，这是如果还没有到达，进程就进入阻塞状态。等数据到达后完成到内核去的拷贝，再从内核拷贝到用户空间，用户进程才解除阻塞状态。
特点：在IO执行的两个阶段进程都会都阻塞
执行非阻塞io系统调用时，如果内核中的数据还没有准备好，会直接返回，不会阻塞。通过进程不断查询，直到数据在内核中就绪，便开始拷贝到用户空间。拷贝的过程中，进程还是被阻塞了，所有非阻塞IO也是同步IO。
特点：需要进程不断地主动询问kernel数据是否准备好了
单个进程处理多个网络连接IO，使用select\poll\epoll三种系统调用，不断轮询所有的连接，如果有数据到达内核则通知进程，进行数据拷贝到用户内存。
当调用select时，进程会进入阻塞状态，直到有数据到达。
这个图看起来和阻塞IO区别不大，甚至还多使用了一个系统调用
但它的优势在于可以同时监控多个IO连接。
所以，如果连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading+ blocking IO的web servet性能更好。多路IO复用的优势并不是对于单个连接能处理的更快，而在于能处理更多的连接。
linux下的异步io使用的很少，其流程如下：
发起read操作后进程立马返回，整个Io过程不会产生任何block。kernel会等等数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存。当这一切都完成后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。
调用blocking io会一直block进程直到操作完成
no-blocking io在kernel准备数据的阶段是会立刻返回的
只有异步IO是异步IO，
其他3种：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO都是同步的。
这是因为其他三种IO在执行真实IO操作的过程中都有进程阻塞的阶段，而异步IO在整个过程中进程都没有被阻塞。非阻塞IO在内核数据就绪，拷贝到用户空间的阶段也是阻塞的，因此也是同步IO。
Linux IO模式及select、poll、epoll详解
Linux磁盘IO、网络IO、零拷贝详解
在计算机操作系统的领域，I/O（输入/输出）指的是数据从计算机系统外部到内部，或者从内部到外部的传输过程，通常可以分为磁盘I/O和网络I/O两类。
磁盘I/O模型和网络I/O模型的底层操作本质都是用户空间和内核空间之间的数据传输。在Linux操作系统中，由于安全性的考虑，用户进程无法直接访问内核空间的数据，因此数据传输需要经过从用户空间到内核空间，再到物理设备，最后返回用户空间的路径。
磁盘I/O的读操作过程中，当应用程序发起read()请求时，系统首先检查内核缓冲区是否已存有所需数据，若存在直接复制至用户空间；若不存在，则通过DMA方式从磁盘读取数据至缓冲区，再复制至用户空间。写操作则需先将数据从用户空间复制至内核缓冲区，具体步骤涉及三次拷贝：磁盘读取、用户空间至内核空间、内核空间至磁盘。
网络I/O的读写操作与磁盘I/O类似，读操作中数据可能来源于物理磁盘或socket，写操作中假设数据来源于磁盘，流程与磁盘I/O的写操作相似。网络I/O的延迟主要由服务器响应时间、带宽限制、网络延迟、路由跳转延迟和接收延迟等综合决定，通常大于磁盘I/O。
在磁盘I/O中，使用缓冲机制来提高效率和保护磁盘，但存在数据在应用程序地址空间和页缓存之间多次拷贝的操作，引入了开销。为解决这一问题，直接I/O（Direct I/O）方式被引入，数据直接在用户地址空间的缓冲区和磁盘之间传输，减少了不必要的拷贝。
mmap（内存映射）是另一种内存管理机制，它将页缓存地址空间映射到用户空间，允许用户进程直接对页缓存进行读写操作，实现了一种特殊的缓存I/O。
Linux中的五大网络I/O模型包括BIO（阻塞模式IO）、NIO（非阻塞模式IO）、I/O多路复用模型、信号驱动IO和异步IO（AIO）。这些模型分别采用不同的方式处理I/O请求，以适应不同的应用场景和性能需求。
总结而言，I/O操作是计算机系统中至关重要的环节，涉及数据在不同空间的高效传输。Linux操作系统通过各种机制优化I/O性能，满足不同应用的需要。
Linux异步IO
Linux中最常用的IO模型是同步IO，在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足条件为止。这是一种很好的解决方案，调用应用程序在等待IO完成的时候不需要占用CPU，但是在很多场景中，IO请求可能需要和CPU消耗交叠，以充分利用CPU和IO提高吞吐率。
下图描绘了异步IO的时序，应用程序发起IO操作后，直接开始执行，并不等待IO结束，它要么过一段时间来查询之前的IO请求完成情况，要么IO请求完成了会自动被调用与IO完成绑定的回调函数。
Linux的AIO有多种实现，其中一种实现是在用户空间的glibc库中实现的，本质上是借用了多线程模型，用开启的新的线程以同步的方式做IO，新的AIO辅助线程与发起AIO的线程以pthread_cond_signal()的形式进行线程间的同步，glibc的AIO主要包含以下函数：
1、aio_read()
aio_read()函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以代表一个文件、套接字，甚至管道，aio_read()函数原型如下：
aio_read（）函数在请求进行排队之后就会立即返回（尽管读操作并未完成），如果执行成功就返回0，如果出现错误就返回-1。参数aiocb（AIO I/O Control Block）结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓冲区。在产生IO完成通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的IO操作。
2.aio_write()
aio_write()函数用来请求一个异步写操作。函数原型如下：
aio_write（）函数会立即返回，并且它的请求以及被排队（成功时返回值为0，失败时返回值为-1）
3.aio_error()
aio_error()函数被用来确定请求的状态，其原型如下：
该函数的返回：
4.aio_return()
异步IO和同步阻塞IO方式之间有一个区别就是不能立即访问函数的返回状态，因为异步IO没有阻塞在read()调用上。在标准的同步阻塞read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。
但是在异步IO中，我们要用aio_return()函数，原型如下：
只有在aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功、也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数，aio_return()的返回值就等价于同步情况中read()或者write系统调用的返回值。
5.aio_suspend()
用户可以用该函数阻塞调用进程，直到异步请求完成为止，调用者提供了一个aiocb引用列表，其中任何一个完成都会导致aio_suspend()返回。函数原型如下：
6.aio_cancel()
该函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所以IO请求。
要取消一个请求，用户需要提供文件描述符和aiocb指针，如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回AIO_CANCELED。如果请求完成了，就会返回AIO_NOTCANCELED。
7.lio_listio()
lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用中启动大量的IO操作，原型如下：
mode参数可以是LIO_WAIT或者是LIO_NOWAIT。LIO_WAIT会阻塞这个调用，直到所有的IO都返回为止，若是LIO_NOWAIT模型，在IO操作完成排队之后，该函数就会返回。list是一个aiocb的列表，最大元素的个数是由nent定义的。如果list的元素为null，lio_listio（）会将其忽略。
