四种主要的 IO 模型

1.内核缓冲区和进程缓冲区

说到 IO 模型的时候，我们先说说绕不开的 内存缓冲区。缓冲区的目的，是为了减少频繁地与设备之间的物理交换，我们知道，外部设备的直接读写，会涉及到操作系统的中断，发生和结束系统中断的时候，需要保存和恢复进程数据等信息，为了减少这种底层系统的时间损耗和性能损耗，于是出现了内存缓冲区。

在 linux 操作系统中，操作系统内核只有一个内核缓冲区，但是每个用户进程都有自己的缓冲区，叫做进程缓冲区。有了这两个概念，再来说下 read 和 write 操作。

• read 系统调用。并不是直接从物理设备把数据读取到内存中，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区。
• write 系统调用。也不是直接把数据写入到物理设备，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。

所以，上层程序的 IO 操作，实际上不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制。数据在内核缓冲区和物理设备之间的交换，是由操作系统内核来完成的。

2.阻塞和非阻塞

• 阻塞

  阻塞是指用户线程一直在等待，直到内核 IO 操作彻底完成，在这期间不能干别的事情。

• 非阻塞

  非阻塞是指用户线程拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，干别的事情去了。

3.同步和异步

• 同步

  同步是指用户空间的线程是主动发起请求的一方，内核空间是被动接受方。

• 异步

  异步则刚好相反，指操作系统内核是主动发起请求的一方，而用户线程是被动接收方。

根据以上概念，我们将 IO 模型分为四种：同步阻塞 IO，同步非阻塞 IO，IO 多路复用，异步 IO。

4.四种 IO 模型

4.1 同步阻塞 IO

在 java 应用进程中，默认情况下，所有的 socket 连接的 IO 操作都是同步阻塞 IO，java 进程从 IO 系统调用开始，直到系统调用返回，这段时间内，java 进程是阻塞的。

4.1.1举个栗子

1. 从 java 进程启动 IO 的 read 调用开始，用户线程进入阻塞状态；
2. 系统内核收到调用开始准备数据，这时候，数据还没有到达内核缓冲区，这时候内核就要等待；
3. 内核一直等到完整的数据后，就会将数据从内核缓冲区复制到用户的进程缓冲区，然后等内核返回结果；
4. 当内核返回后，用户线程才会解除阻塞状态，重新开始运行。

4.1.2 阻塞 IO 的优缺点

通过以上的栗子，我们来说说阻塞 IO 的优缺点：

• 优点：用户程序开发简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，这段时间内，用户线程基本不会占用 CPU 资源。
• 缺点：通常，会为每个连接配备一个独立的线程，由这个线程来维护一个连接的 IO 操作。那么在高并发的情况下，就需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存和线程切换的开销将会非常巨大。

4.2 同步非阻塞 NIO

socket 连接默认是阻塞模式，在 Linux 系统中，可以通过设置将 socket 便成为非阻塞的模式。使用非阻塞模式的 IO 读写，叫做同步非阻塞 IO，简称为 NIO 模式。

4.2.1举个栗子

1. 发起一个非阻塞 socket 的 read 读操作的系统调用，在内核数据没有准备好的情况下，用户线程发起 IO 请求时，立即返回。为了读取到最终的数据，用户线程需要不断地发起 IO 系统调用；
2. 内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，然后返回结果；
3. 用户线程读取到数据后，才会接触阻塞状态，重新运行。所以，用户进程需要经过多次尝试，才能保证最终真正读取到数据，然后继续执行。

应用程序的线程需要不断地进行 IO 系统调用，轮询数据是否已经准备好了，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成 IO 系统调用为止。

4.2.2 同步非阻塞 IO 的优缺点

• 优点：每次发起 IO 系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回，用户线程不会阻塞 ，实时性较好。
• 缺点：不断轮询内核，将会占用大量的 CPU 时间，浪费性能，效率低下，因此，在高并发的情况下，同步非阻塞模型也是不可用的。

4.2.3 说明

同步非阻塞 IO，可以简称 NIO，但是，它不是 java 中的 NIO，java 中的 NIO(New IO)，是另外一种模型，叫做 IO 多路复用模型。

4.3 IO 多路复用模型

为了避免在同步非阻塞 IO 模型中轮询等待的问题，在 IO 多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询 IO 的就绪状态。在 Linux 系统中，对应的系统调用为 select/epoll 系统调用，通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（一般指的是内核缓冲区可读/可写），内核就能将就绪状态返回给应用程序。

• select 系统调用，几乎所有的操作系统都支持，具有良好的跨平台特性。
• epoll 是在 Linux2.6 内核中提出的，是 select 系统调用的 Linux 增强版本。

在 IO 多路复用模型中通过 select/epoll 系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的 socket 连接，当某个或者某些 socket 网络连接有 IO 就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。

4.3.1举个栗子

1. 首先是选择器注册。将需要 read 操作的目标 socket 网络连接，提前注册到 select/epoll 选择器中，然后才可以开启整个 IO 多路复用模型的轮询；
2. 通过选择器的查询方法，查询所有注册过的 socket 连接的就绪状态，通过该查询，内核返回一个就绪的 socket 列表。当任何一个 socket 中的数据准备好了，内核缓冲区就有数据了，内核就将该 socket 加入到就绪的列表中。注：当用户进程调用了 select 查询方法，那么整个线程就会被阻塞。
3. 用户线程获取了就绪的 socket 列表后，根据其中的 socket 连接发起 read 系统调用，用户线程阻塞，内核开始将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
4. 复制完成后，内核返回结果，用户线程解除阻塞状态，用户线程读到数据，继续执行。

4.3.2 特点

和 NIO 模型相似，多路复用 IO 模型也需要轮询。负责 select/epoll 状态查询调用的线程，需要不断轮询，查找出 IO 操作就绪的 socket 连接。对于注册在选择器上的每一个可以查询的 socket 连接，一般都设置为同步非阻塞模型，这一点，用户程序是无感知的。

4.3.3 优缺点

• 优点：与一个线程维护一个连接的阻塞 IO 相比，使用 select/epoll 的好处，就是一个选择器线程可以同时处理成千上万个连接，系统不需要创建大量线程，大大减小了开销，java 语言的 NIO(New IO)，使用的就是 IO 多路复用，在 linux 系统上，使用的是 epoll 系统调用。
• 缺点：本质上，select/epoll 系统调用时阻塞的，属于同步 IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，这个读写过程是阻塞的。

要想彻底解除线程阻塞，就需要异步 IO 模型。

4.4 异步 IO 模型 (AIO)

4.4.1 AIO 基本流程

用户线程通过系统调用，向内核注册某个 IO 操作，内核在整个 IO 操作完成后，通知用户程序，用户执行后续的操作。在整个异步 IO 模型中，包括内核将数据从网卡读取到内核缓冲区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区，用户程序都不阻塞。

4.4.2 举个栗子

1. 用户线程发起 read 调用后，立即可以做其他的了，用户线程不阻塞；
2. 内核开始准备数据，等数据准备好了，内核就将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区；
3. 完成后，内核会给用户线程发送一个信号，或者调用户线程注册的回调接口，通知用户线程 read 操作已完成；
4. 用户线程读取数据，继续后续操作。

4.4.3 优缺点

• 优点：异步 IO 操作，在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都是不阻塞的。异步 IO 是真正的异步输入输出，它的吞吐量高于 IO 多路复用模型。
• 缺点：应用程序仅需要进行事件的注册和接收，其余的工作都交给了操作系统，所以需要底层的内核提供支持。

在 Linux 系统下，异步 Io 模型在 2.6 版本才开始引入，目前还不完善，底层实现仍使用 epoll，与 IO 多路复用相同，在性能上没有明显优势。Netty 框架，使用的就是 IO 多路复用模型，而不是异步 IO 模型。