五分钟掌握同步异步I/O同步阻塞同步非阻塞异步阻塞异步非阻塞

网络通讯原理

在讲I\O的时候，先简单讲下网络通讯原理。
网络通讯四要素：本机的IP地址、子网掩码、网关的IP地址和DNS的IP地址。
四要素有两种方式：一是静态获取，即手动配置；二是动态获取，即通过DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）获取

网络通讯的过程

• 浏览器解析网址（IP地址+协议+端口号）,通过访问DNS域名系统服务器（基于UDP）获得IP地址
• 生成HTTP消息并转交给Socket抽象层
• 再经过传输层，网络层，链路层等。细节先省略。可以参照：网络通讯的的整体流程
  
  Socket起源于UNIX，在UNIX“一切皆文件”的哲学思想下，Socket是一种从打开，到完成读、写操作，最后关闭的模式，服务器和客户端各自维护一个“文件”，在建立连接打开文件后，可以向自己的文件写入内容供对方读取或者读取对方的内容，通信结束时关闭文件。

I/O

用户进程中的一次完整I/O交互流程分为两阶段，首先是经过内核空间，也就是由操作系统处理；紧接着就是到用户空间，也就是交由应用程序。

通俗地将，可以将I/O分为两步：第一步是等待；第二步是数据搬迁。

阻塞I/O模型

阻塞I/O模型特点：在I\O执行的两个阶段（等待数据和拷贝数据）都被阻塞。
下图中红色部分都是阻塞。
典型应用：阻塞Socket、Java BIO
优点：阻塞挂起不消耗CPU资源

非阻塞I/O模型

相比较阻塞I/O，多了一个轮询访问内核是否存在。
典型应用：Socket设置NON_BLOCK
缺点:轮询调用，消耗CPU资源

多路复用I/O模型

多路复用I/O模型和阻塞I/O模型并没有太大的不同，事实上，还更差一些，因为这里需要使用两次系统调用（select和recvfrom），而阻塞I/O模型只有一次系统调用（recvfrom）。但是，用Selector的优势在于它可以同时处理多个连接，所以如果处理的连接数不是很多，多路复用I\O模型并不一定比使用多线程加阻塞I\O性能要好，可能延时更大。优势在于能处于更多的连接。
典型应用：Java NIO，Nginx（epoll，poll，select）

信号驱动I\O模型

信号驱动I/O是指进程预先告知内核，向内核注册一个信号处理函数，然后用户进程返回不阻塞，当内核数据就绪时会发送一个信号给进程，用户进程便在信号处理函数中调用I/O读取数据。
应用场景比较少。

异步I/O模型

工作机制：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们。
与信号驱动I/O模型的区别：信号驱动I/O模型是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，这个I/O操作由用户自定义的信号函数来实现，而异步I/O模型由内核告知我们I/O操作何时完成
典型应用：Java 7 AIO，高性能服务器应用
不阻塞，数据一步到位，采用Proactor模式
缺点：需要操作系统底层支持，Linux2.5内核首现 2.6产的内部标准特性

易于混淆的概念

• 同步阻塞
• 同步非阻塞
• 异步阻塞
• 异步非阻塞

同步和异步的区别：
同步：应用程序主动发起请求询问状态（轮询）
异步：服务方会主动通知请求方

阻塞和非阻塞的区别：
阻塞：等待返回数据之前，当前的线程是挂起状态
非阻塞：等待返回数据之前，当前的线程是运行状态，可以继续处理其他任务

列子：

（1）这个时候，如果我们一直在店里面什么都不干，一直等待直到洗完照片，这个过程就叫同步阻塞。
（2）当然，大部分人很少这么干，更多的是大家拿起手机开始看电视，看一会儿就会问老板洗完没，老板说没洗完，然后接着看，再过一会儿接着问，直到照片洗完，这个过程就叫同步非阻塞。
（3）由于店里生意太好了，越来越多的人过来拍，店里面快没地方坐了，老板说你把手机号留下，我一会儿洗好了就打电话告诉你过来取，然后你去外面找了一个长凳开始躺着睡觉等待老板打电话，什么都不干，这个过程就叫异步阻塞（实际不应用）。
（4）当然实际情况是，大家可能会先去逛街或者吃饭，或者做其他活动，这样一来，两不耽误，这个过程就叫异步非阻塞（效率最高）。

各I/O模型的对比与总结

阻塞程度：阻塞I/O>非阻塞I/O>多路复用I/O>信号驱动I/O>异步I/O，效率是由低到高的。

BIO、NIO、AIO

BIO：一个连接只用一个线程来处理。
NIO：单线程管理多个连接。缓冲区（Buffer）、选择器（Selector）和通道（Channel）
AIO：异步I/O，把I/O读写操作完全交给操作系统。操作系统主动通知实现异步。

BIO	NIO	AIO
面向流	面向缓冲区	操作系统主动通知用户线程
阻塞I\O	非阻塞I\O	Proactor设计模式

参考资料
[1]: Netty 4核心原理与手写RPC框架实战