Linux的I/O模型是理解操作系统性能优化的核心内容之一，I/O（输入/输出）操作是计算机系统与外部设备进行数据交换的主要方式，在Linux系统中，由于服务器应用场景的高并发、高吞吐需求，对I/O模型的设计和实现尤为关键，Linux通过多种I/O模型来平衡效率与资源消耗，满足不同场景下的应用需求，从简单的阻塞I/O到高效的异步I/O,每种模型都有其特定的适用场景和性能特征。
阻塞I/O（Blocking I/O, BIO）
阻塞I/O是最基础也是最简单的I/O模型，在默认情况下，所有文件描述符（socket、文件等）都是阻塞的，当应用程序发起一个I/O操作时（如调用read或write），如果数据尚未准备好或缓冲区不足，进程会进入阻塞状态，直到操作完成才会返回，这意味着在等待期间，进程无法执行其他任务，CPU资源被浪费，一个使用阻塞I/O的服务器进程在等待客户端连接时，会一直阻塞在accept调用上，直到有新的连接到达，这种模型的优点是实现简单，逻辑清晰，但在高并发场景下，每个连接都需要一个独立的进程或线程来处理，会导致资源消耗过大，性能急剧下降，因此仅适用于低并发、简单的应用场景。
非阻塞I/O（Non-blocking I/O, NIO）
为了解决阻塞I/O的资源浪费问题，Linux引入了非阻塞I/O模型，通过将文件描述符设置为非阻塞模式（使用fcntl或ioctl系统调用），应用程序发起I/O操作时，即使数据未准备好，系统也会立即返回一个错误码（如EAGAIN或EWOULDBLOCK），而不会阻塞进程，应用程序可以通过轮询（polling）的方式不断发起I/O请求，直到数据就绪，这种模型避免了进程阻塞，但轮询会消耗大量的CPU时间，当I/O操作频繁时，系统性能反而可能下降，非阻塞I/O通常与其他I/O多路复用技术结合使用，以减少无效的轮询次数,提高效率。
I/O多路复用（I/O Multiplexing）
I/O多路复用是Linux中处理高并发I/O的核心技术，它允许单个进程同时监视多个文件描述符的I/O状态，一旦某个或多个文件描述符就绪，进程就可以对这些就绪的描述符进行相应的I/O操作，Linux提供了多种I/O多路复用机制，包括select、poll和epoll。
-
select：是最早的I/O多路复用实现，它通过一个文件描述符集合（fd_set）来监视多个文件描述符，但集合的大小受限于
FD_SETSIZE（通常为1024），且每次调用都需要遍历整个集合，当描述符数量较多时，性能会显著下降。select需要频繁地在用户空间和内核空间之间复制描述符集合,增加了系统开销。
-
poll：解决了
select的文件描述符数量限制问题，它使用一个pollfd结构数组来监视描述符，数组大小理论上只受限于系统内存，但poll仍然需要遍历所有描述符，且每次调用也需要在用户空间和内核空间之间传递数据,性能提升有限。 -
epoll：是Linux 2.6内核引入的高性能I/O多路复用机制，专为高并发场景设计。
epoll通过三个系统调用实现：epoll_create创建一个epoll实例，epoll_ctl向实例中添加、修改或删除文件描述符，epoll_wait等待描述符就绪。epoll的核心优势在于：它使用红黑树来管理描述符，增删改查效率高；采用回调机制（边缘触发或水平触发）来通知就绪事件，避免了轮询；返回的就绪描述符列表只包含真正就绪的描述符，减少了遍历开销。epoll的边缘触发（ET）模式要求一次性读取或写入所有数据，效率更高,但编程复杂度也相应增加。
信号驱动I/O（Signal-driven I/O, SIGIO）
信号驱动I/O是一种较为特殊的模型，它允许应用程序通过信号来通知I/O事件的发生，应用程序首先使用sigaction系统调用安装一个信号处理函数，并将文件描述符设置为异步模式（O_ASYNC），当数据就绪时，内核会向进程发送SIGIO信号，进程在信号处理函数中执行相应的I/O操作，这种模型的优点是进程在等待期间不会被阻塞，可以执行其他任务，且无需轮询，但信号处理函数的执行是异步的，可能存在信号竞态问题，且信号的数量有限，难以处理大规模并发场景,因此在实际应用中较少使用。
异步I/O（Asynchronous I/O, AIO）
异步I/O是Linux中最先进的I/O模型，它允许应用程序发起I/O操作后立即返回，无需等待操作完成，内核会在I/O操作完成后通知应用程序（通过信号或回调函数），与信号驱动I/O不同，异步I/O的整个I/O过程（包括数据从内核空间到用户空间的拷贝）都是由内核完成的，应用程序完全不需要参与，Linux提供了io_setup、io_submit、io_getevents等系统调用来实现异步I/O，这种模型的优点是应用程序的效率最高，可以充分利用CPU资源，特别适合高延迟、高并发的I/O密集型应用（如数据库、Web服务器），但异步I/O的实现较为复杂，且需要内核和应用程序的协同支持，直到Linux 2.6内核才逐渐完善。
Linux的I/O模型从简单的阻塞I/O到高效的异步I/O，体现了操作系统对性能和资源利用的不断优化，阻塞I/O适合简单场景，非阻塞I/O结合轮询可避免阻塞但消耗CPU，I/O多路复用（尤其是epoll）是高并发服务器的主流选择，信号驱动I/O和异步I/O则提供了更高级的异步处理能力，在实际应用中，开发者需要根据具体场景（如并发量、I/O类型、延迟要求）选择合适的I/O模型，甚至结合多种模型的优势，以实现最佳的系统性能，理解这些I/O模型的原理和差异,对于设计和开发高性能Linux应用程序至关重要。
