[Daily morning study] I/O 모델 비교 — Blocking, Non-blocking, I/O Multiplexing, Async I/O

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I/O 모델이란

운영체제에서 I/O(Input/Output) 작업은 네트워크, 파일, 소켓 등 외부 자원과의 데이터 교환을 의미한다. I/O 작업은 CPU 연산보다 훨씬 느리기 때문에, 이 대기 시간을 어떻게 처리하느냐에 따라 성능이 크게 달라진다.

Unix/Linux 기준으로 I/O 모델은 크게 4가지로 나뉜다.

1. Blocking I/O

가장 기본적인 I/O 모델. 프로세스가 I/O 시스템 콜을 호출하면 데이터가 준비될 때까지 블로킹(대기) 된다.

int n = read(fd, buf, 1024); // 데이터가 올 때까지 여기서 멈춤
// 이후 코드는 read()가 반환된 후에야 실행됨

흐름:

  1. 프로세스가 read() 시스템 콜 호출
  2. 커널은 데이터가 준비될 때까지 프로세스를 대기 상태로 전환
  3. 데이터가 준비되면 커널이 사용자 공간으로 복사
  4. 프로세스가 다시 실행 가능 상태로 전환되며 read() 반환

장점: 구현이 단순하고 직관적
단점: 하나의 스레드가 하나의 연결만 처리 → 다중 연결을 위해 멀티스레드 필요 → 메모리/컨텍스트 스위칭 오버헤드 증가

2. Non-blocking I/O

시스템 콜을 호출했을 때 데이터가 준비되지 않았다면 즉시 EAGAIN 또는 EWOULDBLOCK 에러를 반환한다.

fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // 소켓을 논블로킹으로 설정

while (true) {
    int n = read(fd, buf, 1024);
    if (n == -1 && errno == EAGAIN) {
        // 데이터 아직 없음 → 다른 작업 또는 재시도
        continue;
    }
    // 데이터 처리
    break;
}

흐름:

  1. 프로세스가 read() 호출
  2. 데이터가 없으면 즉시 -1 반환 (에러: EAGAIN)
  3. 프로세스는 반복적으로 재시도 (폴링, Polling)
  4. 데이터가 준비되면 정상 반환

장점: 블로킹 없이 다른 작업 수행 가능
단점: 데이터가 준비되었는지 계속 확인하는 바쁜 대기(Busy Waiting) → CPU 낭비

3. I/O Multiplexing

select(), poll(), epoll() 같은 시스템 콜을 사용해 여러 파일 디스크립터를 동시에 감시한다. 하나의 스레드로 수천 개의 소켓 이벤트를 처리할 수 있다.

// epoll 예시
int epfd = epoll_create1(0);

struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN; // 읽기 가능 이벤트 감시
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
while (true) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1); // 이벤트 발생 대기
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        read(events[i].data.fd, buf, sizeof(buf));
    }
}

select, poll, epoll 비교

항목selectpollepoll
최대 FD 수1024 (FD_SETSIZE)제한 없음제한 없음
시간 복잡도O(n)O(n)O(1)
FD 전달 방식매 호출마다 전체 FD 복사매 호출마다 전체 FD 복사관심 FD 등록 후 이벤트만 통보
지원 환경모든 UNIXPOSIX 표준Linux 2.6+

epoll이 select/poll보다 효율적인 이유는 이벤트 기반(Event-driven) 방식이기 때문이다. select/poll은 매번 모든 FD를 순회하지만, epoll은 변화가 있는 FD만 반환한다.

장점: 하나의 스레드로 다중 연결 처리 가능, 효율적
단점: 여전히 데이터 복사(커널 → 사용자 공간)는 블로킹으로 발생

4. Async I/O (비동기 I/O)

aio_read() (POSIX AIO) 또는 Linux의 io_uring 같은 API를 사용한다. I/O 요청을 커널에 맡기고 즉시 반환한 뒤, I/O 완료 시 콜백 또는 시그널로 통보받는다.

// POSIX AIO 예시
struct aiocb cb = {0};
cb.aio_fildes = fd;
cb.aio_buf    = buf;
cb.aio_nbytes = 1024;
cb.aio_offset = 0;

aio_read(&cb); // 즉시 반환, 커널이 백그라운드에서 I/O 수행

// 다른 작업 수행 ...

// 완료 확인
while (aio_error(&cb) == EINPROGRESS)
    ;

ssize_t n = aio_return(&cb); // 결과 수집

흐름:

  1. 프로세스가 aio_read() 호출 → 즉시 반환
  2. 커널이 백그라운드에서 I/O 수행
  3. I/O 완료 시 시그널(SIGIO) 또는 콜백으로 알림
  4. 프로세스는 aio_return()으로 결과 수집

장점: 완전한 비동기 처리, CPU 낭비 없음
단점: API가 복잡하고 지원 범위 제한적 (소켓에서 불완전한 경우 있음)

전체 비교 요약

모델1단계 대기폴링 필요다중 FD커널 복잡도
Blocking I/O블로킹불필요X낮음
Non-blocking I/O비블로킹필요 (Busy Wait)X낮음
I/O Multiplexing이벤트 대기불필요O중간
Async I/O즉시 반환불필요O높음

실제 활용 사례

  • Blocking I/O: 단순 스크립트, 동기 파일 처리
  • Non-blocking I/O: 단독 소켓 상태 확인
  • I/O Multiplexing (epoll): Nginx, Redis, Node.js 이벤트 루프, 고성능 서버
  • Async I/O (io_uring): 최신 고성능 Linux 서버, 데이터베이스 스토리지 엔진

특히 Node.js의 이벤트 루프는 libuv를 통해 epoll(Linux), kqueue(macOS), IOCP(Windows)를 추상화한 I/O Multiplexing 위에서 동작한다.

Blocking / Async 관점에서 다시 보기

Unix I/O는 두 단계로 나뉜다.

  1. 데이터 준비 단계: 커널이 외부 데이터(네트워크 패킷 등)를 커널 버퍼에 저장
  2. 데이터 복사 단계: 커널 버퍼 → 사용자 프로세스 버퍼로 복사
모델1단계 (준비)2단계 (복사)
Blocking I/O블로킹블로킹
Non-blocking I/O비블로킹 (EAGAIN 반환)블로킹
I/O Multiplexing이벤트 대기 후 블로킹블로킹
Async I/O비블로킹커널이 처리 후 알림

Non-blocking I/O와 I/O Multiplexing은 흔히 “비동기”라고 부르지만, 정확히는 비블로킹 동기(Synchronous Non-blocking) I/O다. 데이터 복사 단계에서는 여전히 프로세스가 직접 관여하기 때문이다. Async I/O만이 진정한 의미의 비동기로, 복사까지 커널이 처리하고 완료 후 알려준다.