一、IO模型概述：为何成为面试焦点？

IO（Input/Output）模型是操作系统与应用程序交互的核心机制，直接影响程序的并发性能、资源利用率和响应速度。在面试中，考察IO模型不仅是为了验证候选人对系统底层原理的理解，更是评估其解决高并发、低延迟场景的能力。常见的IO模型包括：阻塞式IO、非阻塞式IO、IO多路复用（如select/poll/epoll）、信号驱动IO（SIGIO）和异步IO（AIO）。

二、阻塞式IO（Blocking IO）：最基础的模型

原理

阻塞式IO是最简单的模型。当应用程序发起读/写操作时，若数据未就绪，内核会阻塞进程，直到数据到达或操作完成。例如，read()函数会一直等待，直到内核缓冲区有数据可读。

代码示例（C语言）

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    char buf[1024];
    ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)); // 阻塞直到有输入
    if (n > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, buf, n); // 阻塞直到输出完成
    }
    return 0;
}

面试要点

• 缺点：并发能力差，每个连接需单独线程/进程，资源消耗高。
• 适用场景：简单、低并发任务（如命令行工具）。

三、非阻塞式IO（Non-blocking IO）：轮询的代价

原理

非阻塞IO通过设置文件描述符为非阻塞模式（O_NONBLOCK），使read()/write()立即返回。若数据未就绪，返回错误码（如EAGAIN或EWOULDBLOCK），应用程序需主动轮询。

代码示例

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
int main() {
    int fd = STDIN_FILENO;
    fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // 设置为非阻塞
    char buf[1024];
    ssize_t n;
    while (1) {
        n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0) {
            write(STDOUT_FILENO, buf, n);
            break;
        } else if (n == -1 && errno == EAGAIN) {
            // 数据未就绪，继续轮询
            continue;
        } else {
            break; // 其他错误
        }
    }
    return 0;
}

面试要点

• 缺点：轮询消耗CPU，效率低。
• 改进方向：结合IO多路复用（如select）减少无效轮询。

四、IO多路复用（IO Multiplexing）：高效处理多连接

原理

IO多路复用通过单个线程监控多个文件描述符（FD），当某个FD就绪时（可读/可写/异常），内核通知应用程序处理。常见方法包括：

• select：跨平台，但FD数量有限（默认1024），需遍历所有FD。
• poll：无FD数量限制，但仍需遍历。
• epoll（Linux特有）：基于事件驱动，无需遍历，性能最优。

代码示例（epoll）

#include <sys/epoll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#define MAX_EVENTS 10
int main() {
    int epoll_fd = epoll_create1(0);
    struct epoll_event event, events[MAX_EVENTS];
    event.events = EPOLLIN;
    event.data.fd = STDIN_FILENO;
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, STDIN_FILENO, &event);
    while (1) {
        int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (events[i].data.fd == STDIN_FILENO) {
                char buf[1024];
                ssize_t m = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
                if (m > 0) {
                    write(STDOUT_FILENO, buf, m);
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

面试要点

• 优势：单线程处理万级连接，资源占用低。
• epoll vs select/poll：epoll的ET（边缘触发）模式更高效，但需一次性处理完所有数据；LT（水平触发）模式更易用。
• 应用场景：Nginx、Redis等高并发服务。

五、信号驱动IO（SIGIO）：异步通知的尝试

原理

信号驱动IO通过注册信号处理函数（SIGIO），当FD就绪时，内核发送信号通知进程，进程在信号处理函数中执行IO操作。

代码示例

#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
void sigio_handler(int sig) {
    char buf[1024];
    ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
    if (n > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    }
}
int main() {
    int fd = STDIN_FILENO;
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 设置进程为FD的owner
    fcntl(fd, F_SETFL, O_ASYNC);   // 启用异步通知
    signal(SIGIO, sigio_handler);  // 注册信号处理函数
    while (1) {
        pause(); // 等待信号
    }
    return 0;
}

面试要点

• 缺点：信号处理函数中执行IO可能阻塞，且信号易丢失。
• 适用场景：少量FD的异步通知。

六、异步IO（AIO）：真正的非阻塞

原理

异步IO由内核完成所有操作（包括数据拷贝），应用程序只需发起请求并注册回调函数，无需等待。Linux通过libaio实现，Windows有IOCP。

代码示例（Linux AIO）

#include <libaio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
void aio_completion_handler(io_context_t ctx, struct iocb *iocb, long res, long res2) {
    if (res > 0) {
        write(STDOUT_FILENO, (char *)iocb->u.c.buf, res);
    }
}
int main() {
    io_context_t ctx;
    memset(&ctx, 0, sizeof(ctx));
    io_setup(1, &ctx); // 初始化上下文
    struct iocb cb;
    struct iocb *cbs[] = {&cb};
    char buf[1024];
    io_prep_pread(&cb, STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf), 0);
    cb.data = (void *)buf; // 回调数据
    io_submit(ctx, 1, cbs); // 提交异步读请求
    struct io_event events[1];
    io_getevents(ctx, 1, 1, events, NULL); // 等待完成
    aio_completion_handler(ctx, &cb, events[0].res, events[0].res2);
    io_destroy(ctx);
    return 0;
}

面试要点

• 优势：完全非阻塞，适合高延迟设备（如磁盘）。
• 缺点：实现复杂，Linux支持有限。
• 对比异步编程：与Node.js的回调/Promise不同，AIO是操作系统级别的异步。

七、面试常见问题与解答

1. 阻塞与非阻塞的区别？
   阻塞会等待操作完成，非阻塞立即返回，需主动检查状态。

2. epoll为什么高效？
   epoll使用红黑树管理FD，仅返回就绪的FD，避免遍历；支持ET模式减少事件触发次数。

3. 何时用异步IO？
   需要同时处理大量IO密集型任务（如数据库），且能接受复杂实现时。

4. 五种模型的性能排序？
   异步IO > epoll（ET） > epoll（LT） > poll > select > 信号驱动IO > 非阻塞轮询 > 阻塞IO。

八、总结与建议

• 掌握核心：理解每种模型的原理、适用场景和优缺点。
• 实践建议：通过strace跟踪系统调用，或用netstat/lsof观察FD状态。
• 扩展学习：阅读《UNIX网络编程》卷1，或分析Nginx/Redis的源码。

IO模型是系统编程的基石，也是面试中的高频考点。通过本文的梳理，希望能帮助你构建完整的知识体系，在面试中脱颖而出！