I/O交互流程
在LINUX中，內核空間和用户空間都位於虛擬內存中。LINUX採用兩級保護機制：0級供內核使用，3級供用户程序使用。每個進程都有獨立的用户空間（0~3G），對其他進程不可見，而最高的1G虛擬內核空間則由所有進程和內核共享。
操作系統和驅動程序運行在內核空間，應用程序運行在用户空間。由於LINUX使用虛擬內存機制，兩者之間不能直接通過指針傳遞數據。用户空間必須通過系統調用請求內核協助完成I/O操作。內核會為每個I/O設備維護緩衝區，而用户空間的數據可能被換出，因此內核無法直接使用用户空間的指針。
對於一個輸入操作，進程發起I/O系統調用後，內核會先檢查緩衝區是否有緩存數據。如果沒有，則從設備讀取數據；如果有，則直接將數據複製到用户空間。因此，網絡輸入操作通常分為兩個階段：
1）內核空間階段：內核通過協議棧和設備驅動程序接收數據，並將其存儲在內核緩衝區；
2）用户空間階段：數據從內核緩衝區複製到用户進程的緩衝區後，用户進程即可處理這些數據。
I/O操作方式
在操作系統中，通常有三種主要的I/O操作方式，每種方式都有其獨特的特性和適用場景。
阻塞I/O
阻塞I/O（Blocking I/O）是最簡單的I/O模型。當進程發起I/O操作（如read或write）時，當前線程會被阻塞，直到I/O操作完成。這種模型是標準的同步I/O實現，例如POSIX標準中的默認read和write系統調用。
阻塞I/O的優點是實現簡單，適合低併發的場景，因為內核已經對這些系統調用進行了高度優化。然而，在併發場景下，阻塞I/O的性能瓶頸會顯現出來：每個I/O操作都會阻塞一個線程，導致內核需要頻繁地進行線程切換，這會增加上下文切換的開銷，降低處理器緩存的利用率，並可能使依賴線程本地存儲（Thread-Local Storage, TLS）的代碼性能下降。
// 偽代碼: 阻塞I/O
socket = accept(); // 阻塞，直到新連接到達
data = read(socket); // 阻塞，直到數據被讀取
process(data);
非阻塞I/O
非阻塞I/O（Non-Blocking I/O）允許I/O操作在沒有數據可用時立即返回，而不會阻塞執行線程。在非阻塞I/O模式下，如果數據未準備好，系統通常會返回一個錯誤碼（如EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），指示操作需要稍後重試。進程可以通過輪詢監控多個文件描述符的就緒狀態。
非阻塞I/O的優點是提高程序的併發性，因為它允許線程在等待I/O操作完成的同時，執行其他任務。然而，這種模式也帶來了更高的編程複雜度，程序需要不斷檢查文件描述符的狀態，以確保在數據可用時及時處理。這種輪詢機制不僅增加了代碼的複雜性，還可能導致處理器資源的浪費。
以下偽代碼，展示了非阻塞I/O的執行過程。
// 偽代碼: 非阻塞I/O
while (true) {
data = read(socket);
if (data != EAGAIN) {
process(data);
break;
}
// do other things...
}
異步 I/O
異步I/O （Asynchronous I/O）是一種真正的異步模型，進程在發起 I/O 操作後立即返回，並通過回調函數或事件通知機制在操作完成後得到通知。典型的實現包括Windows的OVERLAPPED和I/O完成端口（IOCP），以及LINUX的原生異步I/O（AIO）。需要注意的是，LINUX的原生AIO 僅對文件I/O有效，對網絡I/O的支持有限。
異步I/O的優點是能夠最大限度地提高併發性能，同時減少線程阻塞和上下文切換的開銷。然而，異步I/O的實現和調試複雜度較高，且在某些平台上的支持不夠完善。
// 偽代碼: 異步I/O
// 定義一個I/O操作完成後的回調函數
void on_read_complete(data, error) {
if (error) {
handle_error(error);
} else {
process(data);
}
// 可以在回調中發起下一次異步讀
aio_read(socket, buffer, on_read_complete);
}
// 1. 主程序發起異步讀操作，並註冊回調函數
// aio_read會立即返回，不會阻塞
aio_read(socket1, buffer1, on_read_complete);
aio_read(socket2, buffer2, on_read_complete);
// 2. 主線程可以繼續執行其他任務，或進入一個等待退出的循環
do_other_work();
event_loop_wait_for_shutdown(); // 例如，等待信號
未完待續
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