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从上图可知当用户进程发起IO系统调用后，内核从准备数据到拷贝数据到用户空间的两个阶段期间用户调用线程选择阻塞等待数据返回。

因此BIO带来了一个问题：如果内核数据需要耗时很久才能准备好，那么用户进程将被阻塞，浪费性能。为了提升应用的性能，虽然可以通过多线程来提升性能，但线程的创建依然会借助系统调用，同时多线程会导致频繁的线程上下文的切换，同样会影响性能。所以要想解决BIO带来的问题，我们就得看到问题的本质，那就是阻塞二字。

4. IO 模型之非阻塞I/O(NIO)

那解决方案自然也容易想到，将阻塞变为非阻塞，那就是用户进程在发起系统调用时指定为非阻塞，内核接收到请求后，就会立即返回，然后用户进程通过轮询的方式来拉取处理结果。也就是如下图所示：


 

而应用程序进程在发起IO调用至内核执行IO返回之前，应用程序进程/线程所处状态，就是我们下面要讨论的第二个话题阻塞IO与非阻塞IO。

3. IO 模型之阻塞I/O(BIO)

应用程序中进程在发起IO调用后至内核执行IO操作返回结果之前，若发起系统调用的线程一直处于等待状态，则此次IO操作为阻塞IO。阻塞IO简称BIO，Blocking IO。其处理流程如下图所示：

 

2.1. 计算机视角

冯•诺伊曼计算机的基本思想中有提到计算机硬件组成应为五大部分：控制器，运算器，存储器，输入和输出。其中输入是指将数据输入到计算机的设备，比如键盘鼠标;输出是指从计算机中获取数据的设备，比如显示器;以及既是输入又是输出设备，硬盘，网卡等。

用户通过操作系统才能完成对计算机的操作。计算机启动时，第一个启动的程序是操作系统的内核，它将负责计算机的资源管理和进程的调度。换句话说：操作系统负责从输入设备读取数据并将数据写入到输出设备。

所以I/O之于计算机，有两层意思：

I/O设备

对I/O设备的数据读写

对于一次I/O操作，必然涉及2个参与方，一个输入端，一个输出端，而又根据参与双方的设备类型，我们又可以分为磁盘I/O，网络I/O(一次网络的请求响应，网卡)等。

2.2. 程序视角

应用程序作为一个文件保存在磁盘中，只有加载到内存到成为一个进程才能运行。应用程序运行在计算机内存中，必然会涉及到数据交换，比如读写磁盘文件，访问数据库，调用远程API等等。但我们编写的程序并不能像操作系统内核一样直接进行I/O操作。

因为为了确保操作系统的安全稳定运行，操作系统启动后，将会开启保护模式：将内存分为内核空间(内核对应进程所在内存空间)和用户空间，进行内存隔离。我们构建的程序将运行在用户空间，用户空间无法操作内核空间，也就意味着用户空间的程序不能直接访问由内核管理的I/O，比如：硬盘、网卡等。

但操作系统向外提供API，其由各种类型的系统调用(System Call)组成，以提供安全的访问控制。所以应用程序要想访问内核管理的I/O，必须通过调用内核提供的系统调用(system call)进行间接访问。

所以I/O之于应用程序来说，强调的通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。换句话说应用程序发起的一次IO操作实际包含两个阶段：

IO调用阶段：应用程序进程向内核发起系统调用

IO执行阶段：内核执行IO操作并返回

2.1. 准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据

2.2. 拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区

怎么理解准备数据阶段呢?对于写请求：等待系统调用的完整请求数据，并写入内核缓冲区;对于读请求：等待系统调用的完整请求数据;(若请求数据不存在于内核缓冲区)则将外围设备的数据读入到内核缓冲区。

（编辑：宜春站长网）

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