I/O 模型
I / O 模型#
Blocking IO#
BIO 模型，是完全的同步模型，最符合人类直觉。简单来说就是发起一个 IO 系统调用，然后会导致当前线程出让 CPU 控制权，线程被挂起，直到系统调用完成，在合适的时机再被 OS 唤醒。
对应于系统调用的open和fcntl。
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这很简单也很有用，但还可以做得更好。
Non-Blocking IO#
NIO 模型，非阻塞 IO 模型，这是相对 BIO 的一种改进。在 Linux 上，也就是对于open和fnctl 这两个系统调用增加O_NONBLOCK 选项。
如果可能，文件会以非阻塞模式打开。 open 操作或是对其返回的 FD 执行的任何后续 I / O 操作都不会导致调用进程阻塞。
如果当前需要做的 I/O 操作对应的文件/设备没有准备好（例如被占用），会返回一个错误EAGAIN。
表明当前 I / O 操作没有准备好。
当无法继续进行 I / O 时（如 Buffer 不足），也会返回一个错误EAGAIN，以及此次 I/O 完成的字节数。
等下一次，程序再次进行 IO 操作的时候，继续询问，当对应资源准备就绪时，再由程序进行实际上的读写操作，发起 I / O 系统调用。
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Note
值得注意的是，O_NONBLOCK 对常规文件或者块设备无效。当对这样的文件进行 IO 操作时，仍然是阻塞的（即使当前文件被其他进程占用）。但是在 Server 场景下，谈论的多半是 socket 进行通信，此时 O_NONBLOCK 是有效的。
使用如下命令可以查看所有文件类型
man 2 stat
通常你会得到如下的结果，每种对应一个文件类型。
#define S_IFIFO 0010000 /* named pipe (fifo) */
#define S_IFCHR 0020000 /* character special */
#define S_IFDIR 0040000 /* directory */
#define S_IFBLK 0060000 /* block special */
#define S_IFREG 0100000 /* regular */
#define S_IFLNK 0120000 /* symbolic link */
#define S_IFSOCK 0140000 /* socket */
#define S_IFWHT 0160000 /* whiteout */
TODO
use jslinux show an io example JSLinux (bellard.org)
NIO 参考#
open(2) - Linux manual page (man7.org)
fcntl(2) - Linux manual page (man7.org)
read(2) - Linux manual page (man7.org)
write(2) - Linux manual page (man7.org)
I/O Multiplexing#
IO 复用模型，与前两个模型不太一样，前两个模型。是针对单文件 I / O 时采用的模型。
而 IO 复用模型则是基于事件系统的多文件的 I / O。它并非描述单个文件进行 IO 操作时发生的事情。而是多个文件需要 IO 时，要进行的协调操作。在 Linux 中对应着select,poll,epoll 这三个 API。
其思路在于，同时监听多个目标文件的事件，当其中任何一个目标文件准备好时，可以对准备好的文件进行进行 I / O 处理。
其中select,poll,epoll 并不进行实际上的 I/O 操作，而是帮助线程监听多个文件的状态，当有文件准备好 I/O 时，可以进行读取。因此，可以它可以与 BIO 或 NIO 结合使用。一般而言，结合NIO 是更好的选择。
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Note
值得注意的是，尽管可以通过等待 select 这三个 api 意图是拿到准备好的进行 I/O 的事件，但是并不能保证 ready 队列中 FD，一定可以正常读取/写入，仍然有可能会为了等待数据而阻塞。具体可参见 select(2) - Linux manual page (man7.org) 的BUGS部分。
可能会将 socket 文件视为 “已准备好读取”，但程序随后实际读取时仍然被阻塞。例如，数据可能在到达后因错误检查和校验而被丢弃，可能会发生这种情况。也可能还存在其他 FD 被错误地报告为就绪的情况。因此，在不应阻塞的套接字上使用 O_NONBLOCK 可能更安全。
c - Non blocking sockets when using I/O multiplexing - Stack Overflow
Asynchronous IO#
异步 IO 模型， IO 相比于 BIO 和 NIO，是完全异步的。从数据的准备，以及数据在内核及进程缓冲区间传送的行为，都由内核代为执行。
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尽管这一模型看起来很简单但有多种不同 AIO 实现。
posix aio#
作为 GLIBC 的一部分进行实现，提供了一个内部使用线程池的实现（线程池 + BIO / NIO 模拟），效率低下。
linux aio#
最初在 linux 2.5 内核中引入。 最初是用于异步磁盘 I/O，且会直接操作磁盘 I/O（绕过缓冲区），因此不适用于非常规文件，如管道、socket 通信（会成为 BIO）Linux AIO status & todo [LWN.net]
后续加入补丁中增加了对 socket 的文件的支持（通过轮询 ring buffer）A new kernel polling interface [LWN.net]。
littledan/linux-aio: How to use the Linux AIO feature (github.com)
io_submit: The epoll alternative you've never heard about (cloudflare.com)
How io_uring and eBPF Will Revolutionize Programming in Linux - The New Stack
io_uring#
linux 5.1 内核引入的新异步 IO api。有 SQ（Submission Queue）和 CQ（Completion Queue）两个队列，用户程序可以通过 mmap 将此数据结构映射到用户程序空间。当用户提交 I / O 任务时（io_uring_submit），可以减少切换到内核态到次数。简单来说，在轮询模式下，当用户线程修改 SQ，提交了新 IO 任务，如果 SQ 内核线程是活跃的，那么就可以立即获取到该提交并进行处理，此时可以避免系统调用，如果 SQ 非活跃，则进行相应的系统调用，通知内核新的 I / O 任务到达。
reference#
kernel_new_features/io_uring/文章/浅析开源项目之 io_uring.md at main・0voice/kernel_new_features (github.com)
» asynchronous disk I/O (libtorrent.org)
[译] Linux 异步 I / O 框架 io_uring：基本原理、程序示例与性能压测（2020） (arthurchiao.art)
Learn about different I/O Access Methods and what we chose for ScyllaDB
io stack | 系统技术非业余研究 (yufeng.info)
Linux 下异步 IO (libaio) 的使用以及性能 | 系统技术非业余研究 (yufeng.info)