I/O模型（同步阻塞I/O，同步非阻塞I/O，I/O多路复用，信号驱动I/O，异步I/O）

1、I/O是什么？

根据冯·诺依曼结构，计算机结构分为5大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

从计算机结构上来说，IO就是计算机系统和外部设备（输入设备、输出设备，硬盘等也属于外部设备）之间的通信的过程。
从应用程序上看，为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间分为用户空间（User space）和内核空间（Kernel space）。
我们平时运行的应用程序都是运行在用户空间的，只用内核空间才能进行系统态级别的资源操作，如文件管理、内存管理，进程通信等。而用户空间的程序是不能直接访问内核空间的。所以要进行IO操作，必须依赖内核空间的能力。
IO（Input/Output 输入/输出）即数据的读取（接收）和写入（发送）操作，通常用户进程一个完整的IO分为两个阶段：用户空间<——>内核空间，内核空间<——>设备空间（磁盘、网络等）；IO有内存IO、磁盘IO、网络IO三种，一般IO说的是指后两种。

从应用程序的角度看，我们应用程序对操作系统的内核发起IO调用（系统调用），内核执行具体的IO操作。
进程IO系统调用后，内核会首先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，有数据则直接复制到进程空间（用户空间），没有的话再到设备中取（磁盘），因为磁盘IO一般数据较慢，需要等待。
所以当应用程序发起IO调用后，会经历两个步骤：
（1）内核等待IO设备准备好数据。
（2）内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

2、五种I/O模型

UNIX系统下，I/O模型一共分为五种：同步阻塞I/O，同步非阻塞I/O，I/O多路复用，信号驱动I/O，异步I/O。
Java中有3中常见的I/O模型：
（1）BIO：同步阻塞I/O。
（2）NIO：I/O多路复用。
（3）AIO：异步I/O。

3、同步阻塞I/O

进程发起I/O调用后，进程被阻塞，转到内核空间处理，整个I/O处理完后返回进程，操作成功则获取到数据。

通俗来说，就是A拿着一根鱼竿钓鱼，在钓鱼的过程中，什么事都不干，一直等待上钩，有上钩，则钓起来，在开始下一次的钓鱼或者做其他事。

应用：阻塞scoket、Java BIO。
特点：进程阻塞挂起不消耗CPU资源，及时响应每个操作，使用于并发量小的应用开发，不适用于高并发，因为请求I/O会阻塞进程，需要为每一个请求分配一个处理进程，系统开销大。

4、同步非阻塞I/O

进程发起IO系统调用后，内核的缓冲区中如果有相应的数据，则直接返回数据给进程，如果没有，则到IO设备中取数据，进程返回一个错误而不会被阻塞，每隔一定的时间，应用程序会不断进行IO系统调用轮询内核数据是否已经准备好，没有，则返回一个错误，有则返回数据。注意，返回数据时，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间，进程依然是阻塞的，直到拷贝完成。

通俗来说，A拿着一根鱼竿钓鱼，在等待上钩的过程中，A可以去干其他的事，比如玩会手机、看看书、上个厕所等，只不过隔一段时间就看下是否有上钩，一旦有上钩，就停下手中的事，把钓起来。把钓起来的这段过程中，A是干不了其他的事的。

特点：进程轮询（重复）调用，消耗CPU资源。适用于并发量小，不需要即使相应的应用程序。

5、I/O多路复用模型

多个进程的I/O注册到一个复用器（select）上，在用一个进程调用这个复用器，select会监听所有注册的I/O。
如果select监听的I/O在内核中都没有可读数据，则这个select调用进程会阻塞，当任一I/O调用在内核缓存区中有可读数据时，select进程就会返回，而后，select调用进程可以自己或通知注册的I/O进程再次发起读取I/O，把内核中的数据读到用户空间中。所有，当多个进程注册I/O后，就只会有一个select调用进程会被阻塞。
当然，某个进程把数据从内核空间读取到用户空间这段时间，对于这个进程而言，是阻塞的。

支持多路复用的系统调用：
（1）select 调用 ：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
（2）epoll调用 ：linux 2.6 内核，属于select 调用的增强版本，优化了IO 的执行效率。

通俗来说，A比较有钱，一次带十几根鱼竿去钓鱼，一次性有十几根鱼竿在等待上钩，A不停的查看每个鱼竿，那只鱼竿有上钩，就去那个鱼竿那把钓起来。

典型运用：select、poll、epoll三种方法，nginx可选这三种方案；Java NIO。
特点：专一进程解决多个进程阻塞问题，效率高。适用于高并发。

6、信号驱动I/O模型

进程发起I/O系统调用时，会在内核中注册一个信号处理函数，然后进程返回不阻塞，当内核中数据已经准备好就会发送一个信号给进程，进程在信号处理函数中调用I/O读取函数。

通俗来说，A拿着一根鱼竿去钓鱼，他比较聪明，在鱼竿上绑了一个铃铛，然后就去干其他的事了不再关注鱼竿这了，铃铛响了，说明有上钩了，就过来把给钓起来。

7、异步I/O模型

进程发起I/O系统调用，进程返回（不阻塞），但是也不会返回结果，当内核把整个I/O处理完后，会通知进程结果，进程直接获取到数据。
当应用程序调用aio_read时，内核一方面去获取数据返回，另一方面把程序的控制权还给应用程序，应用程序可以去干其他的事，所以非阻塞。当内核中数据准备好后，由内核将数据拷贝到应用程序中，返回aio_read中处理好的函数处理程序。即内核将整个I/O过程处理完后（内核把数据拷贝到用户空间），再通知进程。而信号驱动I/O是内核中数据准备好了，通知进程调用I/O，读取数据。

通俗来说，A去钓鱼，但是他有其他的事要忙，就雇佣B帮他钓鱼，当B把钓起来后，就打电话通知A，A过来把拿走。

典型应用：Java7 AIO；
特点：非常适合高性能高并发应用，但是实现、开发难度较大。

综上而言，就阻塞程度：同步阻塞I/O>同步非阻塞I/O>I/O多路复用>信号驱动I/O>异步I/O