什么是IO:
IO 是 Input/Output 的缩写，指的是输入和输出。在计算机当中，IO 操作通常指将数据从一个设备或文件中读取到计算机内存中，或将内存中的数据写入设备或文件中。这些设备可以包括硬盘驱动器、网卡、键盘、屏幕等。
通常用户进程中的一个完整I/O分为两个阶段：
用户进程空间→内核空间
内核空间→设备空间
I/O分为内存I/O、网络I/O和磁盘I/O三种
IO操作的两个阶段
Linux中进程无法直接操作I/O设备，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O操作。
内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区。
对于一个输入操作来说，进程I/O系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，没有的话再到设备（比如网卡设备）中读取（因为设备I/O一般速度较慢，需要等待）；
内核缓冲区有数据则直接复制到用户进程空间。
所以，对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：
- 等待网络数据到达网卡，把数据从网卡读取到内核缓冲区，准备好数据。
- 从内核缓冲区复制数据到用户进程空间。
网络I/O的本质是对socket的读取，socket在Linux系统中被抽象为流，I/O可以理解为对流的操作。
网络I/O的模型可分为两种：
- 异步I/O(asynchronous I/O)
- 同步I/O(synchronous I/O)
同步I/O又包括
- 阻塞I/O(blocking I/O)
- 非阻塞I/O(non-blocking I/O)
- 多路复用I/O(multiplexing I/O)
- 信号驱动I/O(signal-driven I/O)
强调一下：信号驱动I/O属于同步I/O，原因往后看。
信号驱动I/O和异步I/O只作概念性的讲解，不作为学习重点。
五种I/O模型
阻塞I/O(blocking I/O)
对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达，当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。
同步阻塞I/O模型是最常用、最简单的模型。在Linux中，默认情况下，所有套接字都是阻塞的。下面我们以阻塞套接字的recvfrom的调用图来说明阻塞，如图所示
非阻塞I/O(non-blocking I/O)
非阻塞的recvform系统调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error（EAGAIN或EWOULDBLOCK）。
进程在返回之后，可以先处理其他的业务逻辑，稍后再发起recvform系统调用。
采用轮询的方式检查内核数据，直到数据准备好。再拷贝数据到进程，进行数据处理。
在Linux下，可以通过设置套接字选项使其变为非阻塞。非阻塞的套接字的recvfrom操作如图所示
可以看到前三次调用recvfrom请求时，并没有数据返回，内核返回errno(EWOULDBLOCK)，并不会阻塞进程。
当第四次调用recvfrom时，数据已经准备好了，于是将它从内核空间拷贝到程序空间，处理数据。
在非阻塞状态下，I/O执行的等待阶段并不是完全阻塞的，但是第二个阶段依然处于一个阻塞状态（调用者将数据从内核拷贝到用户空间，这个阶段阻塞)。
多路复用I/O(multiplexing I/O)
I/O多路复用的好处在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的I/O。它的基本原理是不再由应用程序自己监视连接，而由内核替应用程序监视文件描述符。
以select函数为例，当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好，select就会返回。
这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程，如下图所示。
信号驱动I/O(signal-driven I/O)
该模型允许socket进行信号驱动I/O，并注册一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据，如图所示
注意：虽然信号驱动IO在注册完信号处理函数以后，就可以做其他事情了。但是第二阶段拷贝数据的过程当中进程依然是被阻塞的，而后要介绍的异步IO是完全不会阻塞进程的，所以信号驱动虽然具有异步的特点，但依然属于异步IO
异步I/O(asynchronous I/O)
相对于同步I/O，异步I/O不是按顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，就可以去处理其他逻辑了，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，不会对进程造成阻塞。这是因为aio_read只向内核递交申请，并不关心有没有数据。
等到数据准备好了，内核直接复制数据到进程空间，然后内核向进程发送通知，此时数据已经在用户空间了，可以对数据进行处理。
五种I/O模型比较
前四种I/O模型都是同步I/O操作，它们的区别在于第一阶段，而第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间)，进程阻塞于recvfrom调用。
相反，异步I/O模型在等待数据和接收数据的这两个阶段都是非阻塞的，可以处理其他的逻辑，用户进程将整个I/O操作交由内核完成，内核完成后会发送通知。在此期间，用户进程不需要检查I/O操作的状态，也不需要主动拷贝数据。
在了解了Linux的I/O模型之后，我们就可以进行服务器设计了。