Unix 系统下共有 5 种 I/O 模型：同步阻塞式 I/O、同步非阻塞式 I/O、I/O 多路复用（select 和 poll）、信号驱动式 I/O（SIGIO） 和异步 I/O（POSIX 的 aio_系列函数）

要了解 I/O 模型，首先要知道什么是 I/O。查看 wikipedia，能看到如下解释

I/O（英语：Input/Output），即输入／输出，通常指数据在存储器（内部和外部）或其他周边设备之间的输入和输出，是信息处理系统（例如计算机）与外部世界（可能是人类或另一信息处理系统）之间的通信。输入是系统接收的信号或数据，输出则是从其发送的信号或数据。该术语也可以用作行动的一部分；到“运行I/O”是运行输入或输出的操作。

简单来说，I/O 就是指计算机内存与外部设备之间的数据交互过程。比如说：将磁盘上的文件读入内存中、将内存中的数据写入磁盘。这里所说的外部设备还可以是网卡、显示设备等等。

由于 CPU的速度 > 内存的速度 > 外部设备的速度，所以在 I/O 过程中，就会存在速度不匹配的问题。在发出 I/O 请求后，CPU 可以选择不同的处理策略：可以是继续等待结果；也可以是直接返回，然后不断轮询看数据是否到达；还可以注册一个函数等待数据到达后的回调。不同的策略对 CPU 的利用率有很大的影响。

考虑一次网络 I/O 过程，当用户线程通过系统函数调用（recvfrom、select等）发起 I/O 请求后，需要等待网络数据到达后，内核将数据复制到内核空间，然后再将数据从内核空间复制到用户空间。不同 I/O 模型的主要区别就在于对这两个过程的处理。

IO 模型

同步阻塞式 I/O

用户线程发起 I/O 请求后阻塞，内核等待数据到达后，将数据复制到内核空间，然后再复制到用户空间，完成后将用户线程唤醒

同步非阻塞式 I/O

用户线程把 socket 设置为非阻塞，然后发起 I/O 请求，当数据未准备好时，内核会直接返回一个错误标志。用户线程持续轮询内核，一旦数据数据已准备好，本次请求就需要等待数据从内核空间复制到用户空间，之后会返回一个成功标志

I/O 多路复用

I/O 多路复用是通过 select（或者 poll）管理多个 I/O 请求，当没有数据准备好时，用户线程阻塞在 select 调用上，若某个数据已准备好，则可以发起 recvfrom 系统调用，将数据从内核空间复制到用户空间

I/O 多路复用与同步阻塞式 I/O 有些相似，区别是阻塞式 I/O 中，用户线程是阻塞在一个 I/O 请求上，而 I/O 多路复用中，用户线程是阻塞在 select 调用中，select 本身管理了多个 I/O 请求。

信号驱动式 I/O

通过 sigaction 系统调用向内核注册 SIGIO 处理函数，让内核在数据准备就绪时通知用户线程，用户线程在收到通知后，直接通过 recvfrom 系统调用发起 I/O 请求，将数据从内核空间复制到用户空间。和同步阻塞式 I/O 相比，在等待数据准备好的这段时间，用户线程不用持续轮询内核，可以去处理自己的事情。

异步 I/O

通过 aio_read 系统调用通知内核开启 I/O 操作，内核会完成所有的 I/O 操作，在将数据从内核空间复制到用户空间后，内核会通知用户线程 I/O 已完成。与信号驱动式 I/O 的区别是，异步 I/O 整个过程都是由内核完成的。

总结

一次网络 I/O 可分为两个阶段：发起 I/O 请求、执行 I/O 处理。

对于 I/O 的执行过程，可以再分为两个阶段：等待数据就绪写入内核缓冲区、将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。

最简单的 I/O 模型是 BIO，调用者在发起 I/O 后一直阻塞，直到数据复制到用户缓冲区。缺点是阻塞调用者线程，若要提高并发度，需要创建较多的线程，而线程上下文切换是需要代价的。

在 NIO 模型中，调用者发起 I/O 后直接返回，不会阻塞，需要调用者不断轮询。待数据复制到内核缓冲区后，再次轮询则会阻塞，等待数据复制到用户缓冲区。缺点是在数据未准备好时需要轮询，空轮询会增大额外开销。

在 I/O 多路复用模型中，一个 selector 管理了多个 channel。只有当所有的 channel 上的数据都未准备好时，调用 select 操作才会阻塞，否则可以取到一个准备好数据的 channel 来处理。数据从内核空间复制到用户空间的过程还是会阻塞。这是最常用的一种 I/O 模型。

在信号驱动 I/O 模型中，调用者需要注册信号处理程序。待数据准备好后，内核会调用该处理程序，此时可以将数据从内核空间复制到用户空间。等待数据复制的过程中仍然是阻塞的。

异步 I/O 实现了真正的异步操作，调用者发起请求后由内核处理整个 I/O 过程，待数据从内核空间复制到用户空间后再通知调用者。