问题描述

VFS 提供一组标准的文件访问接口。这些接口以系统调用的方式，提供给应用程序使用。比如 open() 打开文件，read() 读取文件，write() 写入文件。也就是说，我们操作的是 VFS 而不是实际的文件系统（ext4、xfs、……）

文件读写方式的各种差异，导致 I/O 的分类多种多样。接下来，我们就将进一步学习文件系统的 IO 类型；

解决方案

最常见的有，缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等；

补充说明：部分概念也经常出现在网络编程中。比如非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中；

缓冲与非缓冲（是否利用标准库缓存）

缓冲 I/O

是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件；

注意，这里的缓冲是由标准库内部实现的缓冲。比如，有些程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容，其实就是被标准库暂时缓存；
但是，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。当系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作；

非缓冲 I/O

是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存；

直接与非直接（是否利用操作系统的页缓存）

直接 I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。比如，指定 O_DIRECT 标志；

非直接 I/O，当文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘；

直接 I/O、非直接 I/O，本质上还是和文件系统交互。但是，在某些数据库等场景中，会跳过文件系统直接读写磁盘，也就是我们通常所说的裸 I/O；

阻塞与非阻塞（应用程序是否阻塞自身运行）

Blocking I/O

阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执行其他任务；

Non-blocking I/O

非阻塞 I/O，是指：
1）应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，并继续执行其他的任务；
2）随后再通过 轮询 或 事件通知 的形式，获取调用的结果。比如访问管道或者网络套接字时，设置 O_NONBLOCK 标志，就表示用非阻塞方式访问；

同步与异步（是否等待响应结果，即通知方式）

Synchronous I/O

是指应用程序执行 I/O 操作后，要一直等到整个 I/O 完成后，才能获得 I/O 响应；

在操作文件时，如果设置 O_SYNC 或 O_DSYNC 标志，就代表同步 I/O；
1）如果设置 O_DSYNC，就要等文件数据写入磁盘后，才能返回；
2）而 O_SYNC，则是在 O_DSYNC 基础上，要求文件元数据也被写入磁盘后，才能返回；

Asynchronous I/O

1）应用程序执行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以；
2）等到这次 I/O 完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序

在访问管道或者网络套接字时，设置了 O_ASYNC 选项后，相应的 I/O 就是异步 I/O。这样，内核会再通过 SIGIO 或者 SIGPOLL，来通知进程文件是否可读写；

Blocking vs. Synchronized

linux – Does “synchronized I/O” always mean “blocking I/O”? – Stack Overflow

”阻塞 / 非阻塞“和”同步 / 异步“是两个不同角度的 I/O 划分方式，它们描述的对象也不同：

1）阻塞 / 非阻塞，针对的是 I/O 调用者，即应用程序：“Blocking”只是告诉我们系统调用不会返回，直到内核记录将数据记录到某处（例如预写缓存），无法保证在意外断电或硬件故障的情况下该记录会持续存在；例如，当在预写缓存中时，阻塞调用可以在当时运行的其他进程可以看到写入的位置返回，但如果发生电源故障，该写入将丢失；

2）同步 / 异步，针对的是 I/O 执行者（即系统），是否真正的完成 IO 操作：O_SYNC 意义上的“Synchronized”告诉我们系统调用不会返回，直到数据实际持久化到硬件；

所以：所有 Synchronized I/O 都是阻塞的，但并非所有 Blocking I/O 都是同步的；

Asynchronous 与 Non-blocking 实际上是同义词；