本文主要轉自http://www.cnblogs.com/chy2055/p/5220793.html
一、關於I/O模型的引出
我們都知道，爲了OS的安全性等的考慮，進程是無法直接操作I/O設備的，其必須通過系統調用請求內核來協助完成I/O動作，而內核會爲每個I/O設備維護一個buffer。如下圖所示：
整個請求過程爲： 用戶進程發起請求，內核接受到請求後，從I/O設備中獲取數據到buffer中，再將buffer中的數據copy到用戶進程的地址空間，該用戶進程獲取到數據後再響應客戶端。
用戶空間和內核空間：現在操作系統都是採用虛擬存儲器，那麼對32位操作系統而言，它的尋址空間（虛擬存儲空間）爲4G（2的32次方）。操作系統的核心是內核，獨立於普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限。爲了保證用戶進程不能直接操作內核（kernel），保證內核的安全，操心繫統將虛擬空間劃分爲兩部分，一部分爲內核空間，一部分爲用戶空間。針對linux操作系統而言，將最高的1G字節（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供內核使用，稱爲內核空間，而將較低的3G字節（從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱爲用戶空間。
在整個請求過程中，數據輸入至buffer需要時間，而從buffer複製數據至進程也需要時間。因此根據在這兩段時間內等待方式的不同，I/O動作可以分爲以下五種模式：
(1) 阻塞I/O (Blocking I/O)
(2) 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)
(3) I/O複用（I/O Multiplexing)
(4) 信號驅動的I/O (Signal Driven I/O)
(5) 異步I/O (Asynchrnous I/O)
關於進程切換：
從一個進程的運行轉到另一個進程上運行，這個過程中經過下面這些變化：
保存處理機上下文，包括程序計數器和其他寄存器。
更新PCB信息。
把進程的PCB移入相應的隊列，如就緒、在某事件阻塞等隊列。
選擇另一個進程執行，並更新其PCB。
更新內存管理的數據結構。
恢復處理機上下文。
關於進程的阻塞：
正在執行的進程，由於期待的某些事件未發生，如請求系統資源失敗、等待某種操作的完成、新數據尚未到達或無新工作做等，則由系統自動執行阻塞原語(Block)，使自己由運行狀態變爲阻塞狀態。可見，進程的阻塞是進程自身的一種主動行爲，也因此只有處於運行態的進程（獲得CPU），纔可能將其轉爲阻塞狀態。當進程進入阻塞狀態，是不佔用CPU資源的。
關於文件描述符：
文件描述符在形式上是一個非負整數。實際上，它是一個索引值，指向內核爲每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。在網絡中，一個socket對象就是1個文件描述符，在文件中，1個文件句柄（即file對象）就是1個文件描述符。其實可以理解爲就是一個“指針”或“句柄”，指向1個socket或file對象，當file或socket發生改變時，這個對象對應的文件描述符，也會發生相應改變。
二、關於I/O模型的劃分
阻塞：調用的進程一直處於等待狀態，直到操作完成。
非阻塞：在內核的數據還未準備好時，會立即返回，進程可以去幹其他事情。
從同步異步，以及阻塞、非阻塞兩個維度來劃分來看：
同步/異步主要針對Client端:
同步：所謂同步，就是在Client端發出一個功能調用時，在沒有得到結果之前，該調用就不返回。也就是必須一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事，因此這裏同步指的是功能調用者本身沒有得到結果
異步的概念和同步相對。當Client端一個異步過程調用發出後，調用者不能立刻得到結果。實際處理這個調用的部件在完成後，通過狀態、通知和回調來通知調用者。
阻塞/非阻塞主要針對S端：
阻塞調用是指調用結果返回之前，當前線程會被掛起（線程進入非可執行狀態，在這個狀態下，cpu不會給線程分配時間片，即線程暫停運行）。函數只有在得到結果之後纔會返回。
非阻塞：
非阻塞和阻塞的概念相對應，指在不能立刻得到結果之前，該函數不會阻塞當前線程，而會立刻返回。
同步與非同步
阻塞和非阻塞是指當server端的進程訪問的數據如果尚未就緒,進程是否需要等待,簡單說這相當於函數內部的實現區別,也就是未就緒時是直接返回還是等待就緒;
而同步和異步是指client端訪問數據的機制,同步一般指主動請求並等待I/O操作完畢的方式,當數據就緒後在讀寫的時候必須阻塞(區別就緒與讀寫二個階段,同步的讀寫必須阻塞),異步則指主動請求數據後便可以繼續處理其它任務,隨後等待I/O,操作完畢的通知,這可以使進程在數據讀寫時也不阻塞。(等待"通知")
總之，同步IO和異步IO的區別就在於：數據訪問的時候進程是否阻塞！
阻塞IO和非阻塞IO的區別就在於：應用程序的調用是否立即返回！
三、I/O模型分述
1、阻塞I/O
從上圖可以看到在整個過程中，當用戶進程進行系統調用時，內核就開始了I/O的第一個階段，準備數據到緩衝區中，當數據都準備完成後，則將數據從內核緩衝區中拷貝到用戶進程的內存中，這時用戶進程才解除block的狀態重新運行。
所以，Blocking I/O的特點就是在I/O執行的兩個階段都被block了。
2、非阻塞I/O
從上圖可以看到在I/O執行的兩個階段中，用戶進程只有在第二個階段被阻塞了，而第一個階段沒有阻塞，但是在第一個階段中，用戶進程需要盲等，不停的去輪詢內核，看數據是否準備好了，因此該模型是比較消耗CPU的。
3、I/O複用
從上圖可以看到在I/O複用模型中，I/O執行的兩個階段都是用戶進程都是阻塞的，但是兩個階段是獨立的，在一次完整的I/O操作中，該用戶進程是發起了兩次系統調用。
4、信號驅動的I/O
該模型也叫作基於事件驅動的I/O模型，可以看到該模型中，只有在I/O執行的第二階段阻塞了用戶進程，而在第一階段是沒有阻塞的。
乍看起來感覺和非阻塞模型很相似，其實不同之處就在於，該模型在I/O執行的第一階段，當數據準備完成之後，會主動的通知用戶進程數據已經準備完成，即對用戶進程做一個回調。該通知分爲兩種，一爲水平觸發，即如果用戶進程不響應則會一直髮送通知，二爲邊緣觸發，即只通知一次。
5、異步I/O
在該模型中，當用戶進程發起系統調用後，立刻就可以開始去做其它的事情，然後直到I/O執行的兩個階段都完成之後，內核會給用戶進程發送通知，告訴用戶進程操作已經完成了。
對unix來講：阻塞式I/O(默認)，非阻塞式I/O(nonblock)，I/O複用(select/poll/epoll)，信號驅動IO都屬於同步I/O，因爲它們在數據由內核空間複製回進程緩衝區時都是阻塞的(不能幹別的事)。只有異步I/O模型(AIO)是符合異步I/O操作的含義的，即在1數據準備完成、2由內核空間拷貝回緩衝區後 通知進程，在等待通知的這段時間裏可以幹別的事。異步I/O跟信號驅動I/O的不同之處在於，它不用調用recv進行數據的複製，如果將後者比做”拉pull“，則前者可以認爲是”push推“，push的效率會高點，