Different I/O

要了解I/O之前，需要先了解用户态与内核态的概念，可以看《Kernel mode 与 User mode》

1、一次网络通信的简单过程描述

（1）数据接收好到达kernel buffer(wait阶段)
（2）数据从kernel buffer拷贝到user buffer（copy阶段）

2、各种I/O方式分析

（1）blocking I/O

blocking I/O

当用户调用recvfrom时，kernel就开始准备数据。当数据还没有完全到达时，对于用户来说，整个线程就会被阻塞。当kernel等到数据完全准备好，就开始将数据从内核拷贝到进程中，完了以后内核才返回信息，用户线程才能解除block。所以对于用户来说，准备数据与拷贝数据两个过程都是阻塞的。当请求的连接比较多时，则需要开多个线程来处理，存在很大弊端。
（2）no-blocking I/O（非阻塞I/O）

no-blocking I/O

使用no-blocking I/O的话，当数据已经就绪，则返回数据，否则就立刻返回一个错误，处于非block状态。程序可以间隔时间地来请求以得知数据是否已经加载完全。当准备数据完毕，进入拷贝数据阶段，则这个时候线程进入阻塞状态。所以对于no-blocking I/O来说，准备数据是不阻塞的，拷贝数据是阻塞的。
（3）I/O multiplexing（I/O多路复用）

I/O multiplexing

I/O multiplexing的原理是使用系统提供的select/epoll等这些函数去不断轮训所负责的socket，而不是让用户线程自己去轮训。当用户线程调用select时，整个线程会被block，同时，kernel会监视select所负责的所有socket，当有一个数据已经准备就绪，select就会返回，这时用户线程再调用read操作，将数据从kerne拷贝到用户进程中。
I/O multiplexing在调用上会多调用一次系统级别调用（read请求）。所以当连接数不是很高的情况下，使用select/epoll不会比multi-thread+blocking I/O(开多个线程，各自阻塞等待数据到来)性能好，可能延迟还更大，但是优点在于能够用较少资源处理更多的连接，即一个线程能够监听多个socket的状态，比如传入多个socket，如果有一个socket就绪，则返回，否则阻塞直到超时。所以，在高并发的场景中，比如要处理10000个连接，只需要1个线程监控就绪状态，对就绪的每个连接开一个线程处理或者直接丢到线程池处理，当然也可以用当前线程处理。即这个I/O线程可以同时管理多个连接，也就是多路复用了。
Java 中的NIO就是基于I/O multiplexing实现。

（4）asynchronous io

asynchronous io

用户发起read操作时，系统立即返回。对于kernel而言，则进行准备数据与拷贝数据两个动作，当这两个动作完成以后，则发送signal给用户线程，线程可以去获取数据。全程没有发生block。

3、各种io的对比

（1）blocking I/O与 no-blocking I/O
blocking I/O：在wait与copy阶段都会阻塞进程。
no-blocking I/O：在wait阶段不会阻塞，在copy阶段会阻塞。
（2）synchronous io与 asynchronous io
synchronous I/O：I/O过程中线程会被阻塞，直到I/O完成
asynchronous I/O：I/O过程中线程不会被阻塞，操作系统完成I/O操作以后通知到系统线程
（3）blocking I/O、no-blocking I/O、I/O multiplexing都属于synchronous io