几种io模型

一 同步/异步 io

同步io

• 调用如 read()、write() 等系统调用时，进程会阻塞，直到数据读写操作完成后才返回。
• 期间进程无法做其他事情，等待 I/O 完成。
• 简单易用，但在高并发或慢设备场景下可能导致性能瓶颈。

异步io

• 进程发起 I/O 请求后，系统立即返回，I/O 操作在后台进行。
• 进程可以继续执行其他任务，等 I/O 完成后通过回调、事件通知等方式获知结果。
• 类型主要包括：
  • posix aio，接口如 aio_read(), aio_write()，适用于文件和部分块设备，但性能有限。
  • linux native aio，通过 io_submit(), io_getevents(), io_setup(), io_destroy() 等系统调用实现，性能优于 POSIX AIO，常用于高性能服务器和数据库。
  • io_uring，接口如 io_uring_setup(), io_uring_enter(), io_uring_register()，支持文件、网络、缓冲区等多种异步操作，低延迟、高吞吐，广泛用于新项目。
  • 异步事件通知机制，如 epoll, select, poll，用于异步网络和文件描述符事件处理。
  • 异步信号驱动，通过 fcntl() 设置 O_ASYNC 标志，I/O完成后通过信号通知进程。

二 Buffer/mmap/Direct/Raw io

Buffer io

• 又称 缓存 I/O 或 标准 I/O。
• 数据先读入内核页缓存（buffer cache），再由用户空间读取。
• 写操作也先写入缓存，稍后再同步到磁盘（如 write()、read()）。
• 优点：有缓存加速，减少磁盘访问次数。
• 缺点：数据一致性依赖于缓存刷新，可能丢失未同步数据。

mmap io

• 通过 mmap() 系统调用，将文件直接映射到进程虚拟地址空间。
• 读写文件就像操作内存一样，内核自动处理页缓存和磁盘同步。
• 优点：高效，适合随机访问和大文件处理。
• 缺点：管理复杂，容易出现一致性和同步问题。

Direct io

• 通过 O_DIRECT 标志打开文件，读写时绕过内核页缓存，直接与磁盘交互。
• 需要对齐缓冲区和 I/O 大小。
• 优点：减少内存拷贝，适合数据库等对一致性和性能要求高的场景。
• 缺点：编程复杂，不能利用缓存加速。

Raw io

• 直接对块设备（如 /dev/sda）进行读写，不经过文件系统。
• 通常也采用 Direct I/O，适合数据库、虚拟化等场景。
• 优点：最大化性能和控制权。
• 缺点：无文件系统保护，易出错，管理复杂。