前言

大家好，我是程序员田螺。今天我们一起来学习IO模型。在本文开始前呢，先问问大家几个问题哈~

• 什么是IO呢？
• 什么是阻塞非阻塞IO？
• 什么是同步异步IO？
• 什么是IO多路复用？
• select/epoll跟IO模型有什么关系？
• 有几种经典IO模型呢？BIO、NIO、O到底有什么区别的？

如果这些问题，你都能很好答上的话，那恭喜你，你对IO的掌握已经很棒啦！那你跟田螺哥一起看完文章，再复习一下，加深印象吧~

如果你对这些问题模棱两可的话，那也没关系，看完文章，就理解啦！

什么是IO呢？

IO，英文全称是Input/Output，翻译过来就是输入/输出。平时我们听得挺多，就是什么磁盘IO，网络IO。那IO到底是什么呢？是不是有种懵懵懂懂的感觉呀，好像大概知道它是什么，又好像说不清楚。

IO，即输入/输出，到底谁是输入？谁是输出呢？IO如果脱离了主体，就会让人疑惑。

计算机角度的IO

我们常说的输入输出，比较直观的意思就是计算机的输入输出，计算机就是主体。

大家是否还记得，大学学计算机组成原理的时候，有个冯.诺依曼结构，它将计算机分成分为5个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

输入设备是向计算机输入数据和信息的设备，键盘，鼠标都属于输入设备；输出设备是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示，一般显示器、打印机属于输出设备。

鼠标、显示器这只是直观表面的输入输出，回到计算机架构来说，涉及计算机核心与其他设备间数据迁移的过程，就是IO。如磁盘IO，就是从磁盘读取数据到内存，这算一次输入，对应的，将内存中的数据写入磁盘，就算输出。这就是IO的本质。

操作系统的IO

我们要将内存中的数据写入到磁盘的话，主体会是什么呢？主体可能是一个应用程序，比如一个进程（假设网络传来二进制流，一个Java进程可以把它写入到磁盘）。

操作系统负责计算机的资源管理和进程的调度。我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，不可以由应用程序乱来，只能交给底层操作系统来。

也就是说，你的应用程序要把数据写入磁盘，只能通过调用操作系统开放出来的API来操作。我们应用程序是跑在用户空间的，它不存在实质的IO过程，真正的IO是在操作系统执行的。即应用程序的IO操作分为两种动作：IO调用和IO执行。

IO调用是由进程（应用程序的运行态）发起，而IO执行是操作系统内核的工作。此时所说的IO是应用程序对操作系统IO功能的一次触发，即IO调用。

操作系统的一次IO过程应用程序发起的一次IO操作包含两个阶段：
1. IO调用：进程向操作系统发起IO请求，并阻塞在IO调用上，等待IO执行完成。
2. IO执行：操作系统内核完成IO操作，并唤醒进程。

其实IO就是把进程的内部数据转移到外部设备，或者把外部设备的数据迁移到进程内部。外部设备一般指硬盘、socket通讯的网卡。

一个完整的IO过程包括以下几个步骤： 1. 进程调用系统IO函数，将IO请求提交给内核。
2.内核检查请求是否合法，若合法则为该请求分配资源。
3. 内核为请求启动一个IO操作，并设置请求状态为"正在处理"。
4. 内核等待IO操作完成。
5. IO操作完成，内核将请求状态设置为"已完成"，并唤醒等待的进程。
6. 进程继续执行，从系统IO函数返回。

阻塞IO模型

我们已经知道IO是什么啦，那什么是阻塞IO呢？假设应用程序的进程发起IO调用，但是如果内核的数据还没准备好的话，那应用程序进程就一直在阻塞等待，一直等到内核数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，才返回成功提示，此次IO操作，称之为阻塞IO。

非阻塞IO模型

如果内核数据还没准备好，可以先返回错误信息给用户进程，让它不需要等待，而是通过轮询的方式再来请求。这就是非阻塞IO，流程图如下：

非阻塞IO的流程如下：

1. 进程调用系统IO函数，将IO请求提交给内核。
2. 内核检查请求是否合法，若合法则为该请求分配资源。
3. 内核为请求启动一个IO操作，并设置请求状态为"正在处理"。
4. 内核立即返回给进程，并设置错误码为EAGAIN或EWOULDBLOCK。
5. 进程通过轮询的方式不断查询IO操作的状态，直到状态变为"已完成"。
6. 进程继续执行，从系统IO函数返回。

非阻塞IO模型，简称NIO，Non-BlockingIO。它相对于阻塞IO，虽然大幅提升了性能，但是它依然存在性能问题，即频繁的轮询，导致频繁的系统调用，同样会消耗大量的CPU资源。

可以考虑IO复用模型，去解决这个问题。

IO多路复用模型

既然NIO无效的轮询会导致CPU资源消耗，我们等到内核数据准备好了，主动通知应用进程再去进行系统调用，那不就好了嘛？在操作系统内核中，维护一个事件表，每个事件对应一个文件描述符（描述一个打开的文件或套接字），当某个文件描述符就绪（有数据可读或可写），内核就会通过通知机制通知相应的进程或线程。

IO多路复用模型的流程如下：

1. 进程调用IO多路复用函数，将一个或多个文件描述符注册到内核事件表中。
2. 进程进入轮询等待，阻塞在IO多路复用函数上。
3. 当某个文件描述符就绪时，内核将该文件描述符加入到就绪事件队列中。
4. IO多路复用函数从就绪事件队列中取出就绪的文件描述符，并返回给进程。
5. 进程对就绪的文件描述符进行IO操作，如读写数据。
6. 进程继续执行，从IO多路复用函数返回。

IO多路复用模型的优点：

• 减少了系统调用次数，提高了程序性能。


• 可以同时监控多个文件描述符，提高了程序的并发能力。

IO多路复用模型的缺点：

• 实现比较复杂，需要对操作系统底层原理有较深的了解。


• 不同的操作系统有不同的IO多路复用实现，移植性差。

select/epoll与IO模型的关系

select/epoll是两种常见的IO多路复用模型的实现。select函数是POSIX标准中定义的IO多路复用函数，它可以通过一个文件描述符集合来监控文件描述符的可读、可写和异常状态。epoll函数是Linux内核中提供的IO多路复用函数，它比select函数更加高效，支持更大的文件描述符数量。select和epoll函数都提供了类似的功能，但是epoll函数在性能和效率方面优于

什么是IO模块

I/O模块可分为离散、模拟和特殊模块等多种类型,这些模块都可以安装在带有多个插槽的导轨或者机架上，每个模块插人其中一个插槽。导轨或者机架具有不同规格，插槽数分为4、8、12 不等。一般情况下，电源模块插在第一插槽内，编号为0，PLC插在第二插槽内，各种类型的输入输出模块插在其余插槽内。I/O模块导轨的背面安装带有连接器的印制电路板，可以将插入I/O模块的各插槽连接起来，插槽的上下边可以使插入的模块排成一条直线。

扩展资料：

在工业控制中，某些输入量是连续变化的模拟量(如压力、温度、流量、转速等)，同时某些执行装置要求使用模拟量信号进行控制(如电动调节阀、伺服电机、变频器等)，而PLC的处理器只能处理数字量。为了使PLC能够处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的AD转换及DA转换。通过AD模块将检测装置输入的电压、电流模拟量转换为数字量传送给PLC。

什么是“同步IO”和“异步IO”？

同步IO在同一时刻只允许一个IO操作，也就是说对于同一个文件句柄的IO操作是序列化的，即使使用两个线程也不能同时对同一个文件句柄同时发出读写操作。重叠IO允许一个或多个线程同时发出IO请求。

异步IO的概念和同步IO相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。在一个CPU密集型的应用中，有一些需要处理的数据可能放在磁盘上。预先知道这些数 据的位置，所以预先发起异步IO读请求。等到真正需要用到这些数据的时候，再等待异步IO完成。使用了异步IO，在发起IO请求到实际使用数据这段时间 内，程序还可以继续做其他事情。