核心概念与分类

IO（Input/Output）是计算机系统与外部设备（如磁盘、网络、终端）进行数据交互的核心机制。根据数据流向，IO可分为输入型（如读取文件）和输出型（如写入网络）；根据操作对象，可分为文件IO、网络IO、设备IO等。其本质是通过系统调用实现用户空间与内核空间的数据交换。

在Linux系统中，IO操作通常涉及以下关键步骤：

1. 用户程序发起系统调用（如read()/write()）
2. 内核检查数据是否就绪（如磁盘I/O完成、网络包到达）
3. 数据在内核缓冲区与用户缓冲区之间传输
4. 系统调用返回，用户程序继续执行

阻塞与非阻塞IO

阻塞IO是默认的IO模式，当调用read()时，若数据未就绪，线程会进入等待状态，直到数据准备好。这种模式简单直观，但会浪费CPU资源（尤其是单线程场景）。例如：

int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
char buf[1024];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf)); // 阻塞直到数据可读

非阻塞IO通过O_NONBLOCK标志实现，当数据未就绪时，read()会立即返回-1并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK。此时程序需通过轮询检查数据状态：

int fd = open("file.txt", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
char buf[1024];
while (1) {
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n > 0) break; // 数据就绪
    else if (n == -1 && errno == EAGAIN) {
        usleep(1000); // 短暂休眠后重试
    } else {
        // 处理错误
    }
}

非阻塞IO的优势在于避免线程阻塞，但需要手动管理状态，代码复杂度较高。

同步与异步IO

同步IO要求程序主动等待IO操作完成，包括阻塞与非阻塞两种形式。前述阻塞IO属于同步阻塞，而非阻塞IO通过轮询实现同步非阻塞。同步IO的典型特征是：IO操作的完成与程序流程的推进严格同步。

异步IO（AIO）则由内核完成数据读写后通过回调或信号通知程序，期间程序可执行其他任务。Linux通过io_uring或libaio实现高效异步IO：

#include <libaio.h>
io_context_t ctx;
struct iocb cb = {0};
struct iocb *cbs[] = {&cb};
char buf[1024];
io_setup(1, &ctx); // 初始化异步上下文
io_prep_pread(&cb, fd, buf, sizeof(buf), 0); // 准备异步读
io_submit(ctx, 1, cbs); // 提交异步请求
// 程序可在此处执行其他任务
struct io_event events[1];
io_getevents(ctx, 1, 1, events, NULL); // 等待异步操作完成

异步IO的优势在于最大化CPU利用率，但实现复杂，需处理回调上下文与错误传递。

IO多路复用

当需要同时监控多个文件描述符（如处理多个网络连接）时，IO多路复用技术（如select、poll、epoll）可高效管理。其核心思想是通过单个线程监控多个IO事件，避免为每个连接创建线程的开销。

• select：支持FD_SETSIZE（默认1024）个描述符，需遍历所有描述符判断就绪状态，性能随描述符数量线性下降。
• poll：使用链表结构，突破描述符数量限制，但仍需遍历。
• epoll（Linux特有）：通过红黑树管理描述符，仅返回就绪事件，支持EPOLLET（边缘触发）与EPOLLLT（水平触发）模式。

// epoll示例
int epoll_fd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev, events[10];
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
while (1) {
    int n = epoll_wait(epoll_fd, events, 10, -1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].events & EPOLLIN) {
            // 处理就绪的IO
        }
    }
}

epoll的边缘触发模式（EPOLLET）要求程序一次性读取所有数据，否则会丢失事件；水平触发模式（默认）则持续通知直到数据被处理完毕。

缓冲与零拷贝技术

缓冲IO通过内核缓冲区减少磁盘访问次数。例如，read()会先将数据从磁盘读入内核页缓存，再拷贝到用户缓冲区。这种机制提升了小数据量IO的性能，但频繁拷贝会消耗CPU资源。

零拷贝技术（如sendfile、splice）通过内核空间直接传输数据，避免用户态与内核态的拷贝。例如，使用sendfile传输文件到网络套接字：

int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
int sockfd = socket(...);
off_t offset = 0;
ssize_t n = sendfile(sockfd, fd, &offset, file_size);

sendfile直接将文件数据从内核页缓存发送到网络栈，无需经过用户缓冲区，显著提升大文件传输性能。

性能优化策略

1. 减少系统调用次数：批量读写（如readv/writev）比单次读写更高效。
2. 合理使用缓冲：对于高频小数据量IO，启用缓冲（如fopen的缓冲模式）可减少系统调用。
3. 选择合适的IO模型：
   • 高并发短连接：epoll + 非阻塞IO
   • 低并发长连接：异步IO
   • 文件传输：零拷贝技术
4. 调整内核参数：如/proc/sys/fs/file-max（最大文件描述符数）、/proc/sys/net/core/somaxconn（最大监听队列数）。

实际应用场景

1. Web服务器：使用epoll监控多个连接，非阻塞IO处理请求，sendfile传输静态文件。
2. 数据库系统：异步IO预读数据页，缓冲IO减少磁盘访问，零拷贝优化备份流程。
3. 实时系统：边缘触发模式结合非阻塞IO，实现低延迟事件处理。

IO作为系统性能的关键瓶颈，其优化需结合业务场景与技术选型。开发者应深入理解阻塞/非阻塞、同步/异步、多路复用等核心概念，并根据实际需求选择合适的技术栈。