一、IO读写基本原理

1.1 硬件层与操作系统层的协作

IO操作的核心是数据在硬件与内存之间的移动。在硬件层面，磁盘、网络等设备通过控制器管理数据传输；在操作系统层面，内核通过设备驱动程序与硬件交互，并通过系统调用（如read()/write()）为用户程序提供接口。

关键机制：

• 中断驱动：硬件完成数据传输后触发中断，通知CPU处理。
• DMA（直接内存访问）：避免CPU频繁参与数据搬运，由DMA控制器独立完成内存与设备间的数据传输。
• 缓冲区管理：内核通过缓冲区（如Linux的page cache）缓存数据，减少直接IO次数。例如，当用户调用read()时，内核可能直接从缓冲区返回数据，而非立即触发磁盘IO。

1.2 用户空间与内核空间的交互

现代操作系统将内存划分为用户空间和内核空间，二者通过系统调用完成数据交换：

• 阻塞式IO：用户程序发起系统调用后，线程进入阻塞状态，直到内核完成数据拷贝（如从磁盘到用户缓冲区）。
• 非阻塞式IO：系统调用立即返回，用户程序需通过轮询检查数据是否就绪。

示例代码（C语言阻塞式IO）：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main() {
    char buf[1024];
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf)); // 阻塞直到数据就绪
    close(fd);
    return 0;
}

二、主流IO模型解析

2.1 同步阻塞IO（Blocking IO）

特点：线程在IO操作期间完全阻塞，无法执行其他任务。
适用场景：简单、低并发的应用（如传统命令行工具）。
缺点：并发高时线程资源消耗大。

2.2 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）

特点：系统调用立即返回，用户程序需主动轮询检查数据状态。
实现方式：通过fcntl()设置文件描述符为非阻塞模式（O_NONBLOCK）。
示例代码：

int fd = open("test.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
char buf[1024];
while (1) {
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n == -1 && errno == EAGAIN) {
        // 数据未就绪，稍后重试
        continue;
    } else if (n > 0) {
        // 数据就绪，处理
        break;
    }
}

适用场景：需要避免线程阻塞的场景（如轮询多个文件描述符）。
缺点：轮询导致CPU空转，效率低。

2.3 IO多路复用（Multiplexing）

核心思想：通过单个线程监控多个文件描述符的IO事件，避免为每个连接创建线程。
主流实现：

• select：跨平台，但支持的文件描述符数量有限（通常1024个）。
• poll：无数量限制，但需遍历所有文件描述符。
• epoll（Linux）：基于事件回调，性能最优，支持边缘触发（ET）和水平触发（LT）。

epoll示例代码：

#include <sys/epoll.h>
int main() {
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event event;
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = STDIN_FILENO;
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &event);
    struct epoll_event events[10];
    while (1) {
        int n = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {
                // 处理输入
            }
        }
    }
}

适用场景：高并发服务器（如Nginx）。
优势：减少线程/进程数量，降低上下文切换开销。

2.4 信号驱动IO（Signal-Driven IO）

特点：内核在数据就绪时通过信号（如SIGIO）通知用户程序。
实现步骤：

1. 设置文件描述符为异步通知模式（fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())）。
2. 注册信号处理函数。
   缺点：信号处理复杂，且信号可能丢失，实际使用较少。

2.5 异步IO（Asynchronous IO）

核心特性：用户程序发起IO请求后立即返回，内核在数据拷贝完成后通过回调或信号通知用户。
Linux实现：

• libaio：提供io_submit()/io_getevents()等接口。
• io_uring（Linux 5.1+）：更高效的异步IO框架，支持内核与用户空间的双向通信。

io_uring示例代码：

#include <liburing.h>
int main() {
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(32, &ring, 0);
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_read(sqe, STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf), 0);
    io_uring_submit(&ring);
    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    // 处理完成事件
    io_uring_queue_exit(&ring);
}

适用场景：对延迟敏感的应用（如数据库、实时系统）。
优势：真正实现用户线程与IO操作的完全解耦。

三、IO模型选型建议

1. 低并发场景：同步阻塞IO足够，代码简单。
2. 中高并发场景：优先选择epoll（Linux）或kqueue（BSD），平衡性能与复杂度。
3. 超低延迟需求：异步IO（如io_uring）是最佳选择，但需注意内核版本兼容性。
4. 跨平台需求：考虑使用库（如libuv）抽象不同系统的IO模型。

四、性能优化实践

1. 减少系统调用次数：通过批量读写（如readv()/writev()）或内存映射（mmap()）降低开销。
2. 合理设置缓冲区大小：过小导致频繁IO，过大浪费内存。
3. 避免锁竞争：在多线程环境中，使用无锁数据结构或细粒度锁保护IO资源。

五、总结

IO操作是系统性能的关键瓶颈之一。理解从硬件中断到用户空间数据拷贝的完整流程，以及不同IO模型的适用场景，能够帮助开发者设计出更高效、更可靠的系统。未来，随着内核异步IO框架（如io_uring）的演进，高性能IO编程的门槛将进一步降低。