前言

I/O是什么？

I/O 就是计算机内存与外部设备之间拷贝数据的过程，CPU 访问内存的速度远远高于外部设备，因此 CPU 是先把外部设备的数据读到内存里，然后再进行处理

I/O模型要解决的问题

• 考虑一个实际场景：数据读取操作的基本流程，首先是在用户态发起调用操作，通过系统函数read()间接的调用系统内核，从网卡读取数据，先将数据读取到内核缓冲区，再由内核缓冲区拷贝到用户态内存缓冲区

• 在这个过程中，涉及到cpu的操作、内存操作、外部物理设备操作；由于三者数据处理速度的巨大差异性，用户读取数据时，采用 用户线程阻塞等待？非阻塞轮询查询并读取数据？还是由内核回调通知？这些便是I/O模型要解决的问题

I/O 模型的区别
当用户线程发起 I/O 操作后，网络数据读取操作会经历两个步骤：

• 用户线程等待内核将数据从网卡拷贝到内核空间。
• 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

各种 I/O 模型的区别就是：它们实现这两个步骤的方式是不一样的

4种主要的IO模型

1. 同步阻塞IO

用户线程发起 read 调用后就阻塞了，让出 CPU。内核等待网卡数据到来，把数据从网卡拷贝到内核空间，接着把数据拷贝到用户空间，再把用户线程叫醒

2. 同步非阻塞IO

用户线程不断的发起 read 调用，数据没到内核空间时，每次都返回失败，直到数据到了内核空间，这一次 read 调用后，在等待数据从内核空间拷贝到用户空间这段时间里，线程还是阻塞的，等数据到了用户空间再把线程叫醒

需要注意的是：这里通过用户线程自己去轮询读取数据，和I/O多路复用使用专用的线程去轮询处理(通常一个线程)不同

用户线程轮询发起read操作，如果数据未就绪，则立即返回；如正好数据准备就绪，则阻塞等待数据从内核拷贝到用户空间，再唤醒用户线程，read调用返回

3. IO多路复用

用户线程的读取操作分成两步了，线程先发起 select 调用，目的是问内核数据准备好了吗？等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。在等待数据从内核空间拷贝到用户空间这段时间里，线程还是阻塞的。那为什么叫 I/O 多路复用呢？因为一个专用线程轮询发起 select 调用可以向内核查多个数据通道（Channel）的状态，所以叫多路复用

• IO多路复用模型的基本原理就是select/epoll系统调用，单个线程不断的轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有数据到达了，就返回这些可以读写的连接
• 这里select也是IO操作
• 首先发起select操作，如果检测到有通道数据准备就绪，则再发起一次read操作；CPU由用户态切换到内核态，执行内核代码，将用户线程挂起，然后把数据从内核空间拷贝到用户空间，再唤醒用户线程，read调用返回

4. 异步I/O

用户线程发起 read 调用的同时注册一个回调函数，read 立即返回，等内核将数据准备好后，再调用指定的回调函数完成处理。在这个过程中，用户线程一直没有阻塞

总结

1、同步非阻塞与I/O多路复用区别

• 相同点：都通过轮询的方式尝试读取数据；不同的是 一个是由用户线程自己不断轮询，另一个是通过专用线程去轮询处理(专用线程数量可控)
• 同步非阻塞：用户线程不断轮询直到读取数据为止；这个过程中每个用户线程都是轮询读取，如果用户线程过多，耗费资源
• I/O多路复用：一般通过一个专用线程去轮询检查数据是否就绪，由于一个专用线程可以处理多个连接(channel通道)，也就称为I/O多路复用；Java NIO便是I/O多路复用的一个实现

2、阻塞与非阻塞：指应用程序在发起 I/O 操作时，是立即返回还是等待

3、同步与异步：指应用程序在与内核通信时，数据从内核空间到应用空间的拷贝，是由内核主动发起还是由应用程序来触发；内核主动发起则是异步，反之为同步