一、五种 IO 模型

1、简要理解

这里以一个钓鱼的例子来说明五种IO模型：

• 张三：专注钓鱼，鱼漂不动，张三不动 — 阻塞 IO
• 李四：不会因为鱼没有上钩而卡在检测鱼漂上 ---- 非阻塞 IO
• 王五：通过让鱼上钩，反向通知我 — 信号驱动 IO
• 赵六：拉了一卡车的鱼竿 (100 只鱼竿) ---- 多路复用，多路转接
• 田七：我是喜欢吃鱼！发起钓鱼，让小王去钓鱼 — 异步 IO

问题 1：阻塞 vs 非阻塞

• 阻塞：IO 条件不具备时，一直卡住，直到条件就绪。
• 非阻塞：IO 条件不具备时，立即出错返回，不阻塞等待。
• 核心差异：等待方式不同，非阻塞可同时做其他事。

问题 2：谁的钓鱼效率最高？
多路复用（赵六）效率最高，因为单位时间内等待的占比最低。

问题 3：信号驱动 IO（王五）有没有等待？
有参与钓鱼（IO）流程，只是不用主动检测条件。

结论 4：同步 IO 模型
阻塞、非阻塞、信号驱动、多路复用，都属于同步 IO。
只要用户参与了「等待」或「拷贝」任一阶段，就是同步 IO。

问题 5：同步 IO vs 异步 IO

• 同步 IO：用户参与「等待」或「拷贝」任一阶段。
• 异步 IO：用户只发起 IO，等待和拷贝全由内核完成，与用户流程无关。

2、阻塞 IO

核心：IO 分等待数据和拷贝数据两步，不同模型的差异主要在于等待数据

• 流程：调用recvfrom后一直阻塞，直到数据准备好并拷贝完成才返回。
• 特点：最简单，默认方式，但一个线程只能处理一个 IO，等待期间无法做其他事。

3、非阻塞 IO

• 流程：调用recvfrom时数据没准备好会立刻返回EWOULDBLOCK错误，需要反复轮询直到成功。
• 特点：不阻塞，但轮询会浪费 CPU 资源，一般很少直接用。

4、信号驱动 IO

• 流程：提前注册SIGIO信号处理函数，数据准备好时内核发信号通知，再调用recvfrom拷贝数据。
• 特点：等待期间进程可做其他事，但信号处理和多线程场景容易有竞态问题。

5、IO 多路转接（多路复用）

• 流程：通过select/poll/epoll同时等待多个文件描述符，任意一个就绪后再调用recvfrom处理。
• 特点：单线程可同时管理多个 IO，效率高，是高并发服务的主流方案。

6、异步 IO

• 流程：调用aio_read后立刻返回，内核负责等待 + 拷贝数据，全程不阻塞，拷贝完成后发信号通知应用。
• 特点：完全异步，效率最高，但实现复杂，依赖系统支持。

二、高级 IO 重要概念

1、同步通信 vs 异步通信

• 同步通信

  • 定义：调用发出后，必须主动等待结果返回，调用不返回就一直阻塞，拿到结果才继续执行。
  • 特点：调用者全程等结果，逻辑简单但效率低。

• 异步通信

  • 定义：调用发出后立刻返回，不阻塞等待结果；后续由被调用者通过 状态通知 / 回调函数，主动把结果反馈给调用者。
  • 特点：调用者可继续做其他事，效率高但逻辑更复杂。

• 注意事项

  • IO / 通信场景：指同步 / 异步通信，描述的是消息通知机制；
  • 多进程 / 线程场景： 指同步 / 互斥，描述的是多任务之间的执行顺序、资源访问制约关系，和前者完全无关。

2、阻塞 vs 非阻塞

• 阻塞调用： 调用结果未返回前，当前线程会被挂起（无法执行其他操作），直到拿到结果才恢复运行。
• 非阻塞调用： 即使暂时拿不到结果，调用也会立刻返回，线程不会被挂起，可继续执行其他操作（通常需要后续轮询获取结果）。

总结： 阻塞是 “调用时死等”，非阻塞是 “调用时不等，能继续做别的事”

3、高级 IO

除基础 IO 外，以下这些统称为高级 IO：

• 非阻塞 IO
• 记录锁
• 系统 V 流机制
• IO 多路转接（IO 多路复用，如 select/poll/epoll）
• readv/writev 分散 - 聚集 IO
• 存储映射 IO（mmap）

4、非阻塞 IO

• 文件描述符默认是阻塞 IO。
• 使用 fcntl() 函数可将其设置为非阻塞。

1）fcntl 函数

2）实现函数 SetNoBlock

作用：把文件描述符设为非阻塞 IO

void SetNoBlock(int fd)
{
    // 1. 获取当前文件状态标记
    int f1 = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(f1<0)
		return;
		
    // 2. 加上非阻塞标记, 重新设置
    fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}

3）轮询方式读取标准输入

#include <iostream>
#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h>  

// 设置文件描述符为非阻塞
void SetNoBlock(int fd)
{
    int f1 = fcntl(fd, F_GETFL);
    if(f1<0)
        return;

    fcntl(fd, F_SETFL, f1 | O_NONBLOCK);
}

int main()
{

    SetNoBlock(0);  // 标准输入非阻塞
    char buffer[1024];

    while (true)
    {
        ssize_t n = read(0, buffer, sizeof(buffer));
        if (n > 0)
        {
            buffer[n - 1] = 0;
            std::cout << buffer << std::endl;
        }
        else if(n==0)
        {
            break;
        }
        else
        {
            // 无数据/被信号打断 → 继续轮询
            if (errno == EAGAIN || errno == EINTR)
            {
                std::cout << "数据未就绪..." << std::endl;
                sleep(1);
            }
            else 
            {
                break; // 真错误
            }
        }
    }
    return 0;
}