应用程序要与各类I/O设备交互，需通过操作系统提供的输入/输出应用程序接口（I/O接口）。这些接口是程序与设备之间的“桥梁”，让程序无需关注设备底层细节，只需调用统一函数就能完成读写、控制等操作。不同类型的设备（字符、块、网络），接口会根据设备特性设计；而“阻塞/非阻塞”则决定了程序在等待I/O时的行为模式。

一、字符设备接口

字符设备（如键盘、打印机）以“字符流”为单位传输数据，其应用程序接口也围绕“流式操作”设计，核心是按顺序读写字符或字节，操作逻辑直观且贴近设备原生特性。

以类Unix系统为例，操作字符设备的接口与操作普通文件的接口逻辑一致：

  • 打开（open）：获取字符设备的“文件描述符”（一个标识设备的整数），后续操作通过该描述符进行。比如打开键盘设备（如/dev/tty），就能开始接收用户按键输入。
  • 读（read）：从设备读取字符流。若操作键盘，read会返回用户按下的字符（如按下“B”，就读取到字符’B’的ASCII码）；若设备暂时无数据（如键盘未被按键），后续行为由“阻塞/非阻塞”模式决定。
  • 写（write）：向设备写入字符流。以打印机为例，write会把要打印的字符逐个传给打印机，由打印机按顺序输出（如连续写入“Hello”，打印机就依次打印这5个字母）。
  • 关闭（close）：释放设备资源，断开与设备的连接，确保后续其他程序能正常访问该设备。

字符设备接口的“流式”特性，让程序能像操作“管道”一样处理设备数据，适合数据连续、无需随机访问的场景（如键盘输入是连续的字符流，打印机输出也需按顺序打印）。

二、块设备接口

块设备（如硬盘、U盘）以“固定大小的块”（如4KB）为单位传输数据，支持随机访问，因此接口设计更侧重**“块级别的读写与地址定位”**，方便程序直接操作任意位置的数据块。

同样以类Unix系统为例，块设备接口的核心操作围绕“块”展开：

  • 打开（open）：获取块设备的文件描述符，比如打开硬盘分区/dev/sda1（对应某块物理硬盘的一个分区）。
  • 读块（read）：指定“逻辑块号”和“块数量”，读取对应数据。比如要读硬盘的第100个块（假设每个块4KB），read会从该位置读取4KB数据到内存。由于块设备支持随机访问，程序可直接指定任意块号，无需按顺序读取（如先读第100块，再读第50块）。
  • 写块（write）：指定“逻辑块号”和“块数据”，将数据写入设备。比如要更新硬盘某块的内容（如修改文件的某部分），直接定位到该块并写入新数据即可。
  • 辅助操作：还存在“同步（fsync）”操作，确保写块的数据被真正刷入设备（防止内存缓冲区的数据因突发断电丢失）；以及“查询块大小”的接口，让程序了解设备的块特性（如每个块是4KB还是8KB），以便更高效地规划数据读写。

块设备接口的“块级随机访问”特性，是文件系统、数据库等存储密集型应用的核心支撑——这些应用需要高效地读写任意位置的数据块（如数据库随机读取某条记录对应的块）。

三、网络设备接口

网络设备（如网卡）负责在网络中收发数据包，其接口设计围绕**“网络协议与数据包传输”**展开，与字符、块设备的“本地I/O”有明显区别，通常基于“套接字（Socket）”实现。

以TCP/IP协议下的网络设备接口为例，核心操作流程如下：

  • 创建套接字（socket）：指定网络协议（如TCP或UDP）、地址族（如IPv4或IPv6），创建用于网络通信的“套接字”（类似文件描述符，但专门用于网络通信）。比如创建一个TCP套接字，用于可靠的网络数据传输。
  • 绑定与连接（bind/connect）：bind将套接字与本机IP地址和端口绑定（如服务器程序绑定80端口，用于提供HTTP服务）；connect让套接字与远程主机的IP地址和端口建立连接（如客户端程序连接服务器的80端口，发起网页请求）。
  • 收发数据（send/recv）：send向已连接的套接字发送数据包；recv从套接字接收数据包。网络数据的收发是“面向数据包”的，且会受网络状态（如延迟、丢包）影响（如TCP会自动处理重传，保障数据可靠；UDP则直接发送，不保证到达）。
  • 关闭套接字（close）：断开网络连接，释放套接字资源，确保网络资源被合理回收。

网络设备接口需要处理“网络协议栈”的复杂性（如TCP的三次握手、流量控制，UDP的无连接特性），因此接口更侧重“网络通信逻辑”，而非单纯的设备I/O操作。

四、阻塞与非阻塞I/O

“阻塞”和“非阻塞”描述的是应用程序发起I/O请求后，是否会等待I/O完成的行为模式，直接影响程序的并发性和响应性。

1. 阻塞I/O

当程序发起阻塞I/O（如调用read读取键盘）时，若设备暂时无法满足请求（如键盘没有按键输入），进程会被“挂起”（进入等待状态），直到I/O完成（如用户按下按键）才会被唤醒，继续执行后续代码。

类比生活场景：你去食堂打饭（发起I/O请求），如果窗口暂时没饭（设备未就绪），你就站在窗口前等待（进程挂起），直到饭做好（I/O完成），拿到饭后才离开（进程继续执行）。

阻塞I/O的优点是编程简单（无需额外处理“设备未就绪”的情况），适合对并发性要求不高的场景（如简单的命令行工具，只需等待用户输入）；缺点是进程会因等待I/O而“空闲”，若程序需要同时处理多个I/O（如同时等待键盘输入和网络数据），阻塞会导致整体效率低下。

2. 非阻塞I/O

当程序发起非阻塞I/O（需先将设备或套接字设置为非阻塞模式）时，若设备暂时无法满足请求，系统调用会立即返回“未就绪”的错误（如EAGAIN或EWOULDBLOCK），进程不会挂起，可继续执行其他任务。

继续用食堂打饭类比：你去打饭，窗口没饭时，食堂阿姨告诉你“现在没饭，你先去别处逛逛”（系统调用返回错误），你就去干别的事（执行其他代码），过一段时间再回来询问（再次发起I/O请求）。

非阻塞I/O的优点是进程不会因I/O等待而空闲，能同时处理多个I/O任务（如同时监控键盘输入和网络数据）；缺点是编程更复杂——程序需要通过“轮询”（重复发起I/O请求）或结合“事件通知”（如select、epoll）来判断I/O是否就绪，否则容易因“频繁查询”导致CPU资源浪费。

不同的I/O设备接口（字符、块、网络），都可支持阻塞或非阻塞模式（需操作系统和设备驱动配合）。例如，读取键盘既可以用阻塞方式（等待按键），也可以用非阻塞方式（没按键就立即返回错误，程序去执行其他逻辑）。开发者需根据应用的“并发性需求”“响应性要求”，选择合适的I/O模式。

这些接口共同构成了应用程序与I/O设备交互的“标准语言”，让程序能以统一、高效的方式使用各类设备，也为后续“高级I/O模型（如多路复用、异步I/O）”的学习奠定了基础。