前言
前一篇概覽 Redis：概覽 中提到Redis使用了IO多路複用模型，所以單線程的Redis也很快。所以本篇主要講解Linux相關的I/O模型。
關於I/O我們可學了不少，java.io包下面的類全是關於I/O的操作。I/O就是Input/Output，是指輸入/輸出。
我們都知道I/O大致可以分爲BIO、NIO、AIO。BIO就是Blocking I/O（阻塞IO）；NIO就是Non-Blocking I/O（非阻塞IO）；AIO就是Asynchronous I/O（異步IO）。
說到這裏就不得不說一下阻塞/非阻塞、同步/異步了。阻塞/非阻塞和同步/異步完全是不同的概念，不要混爲一談。
- 同步和異步：關注的是消息通信機制 。調用方發出一個調用後，響應方在沒有產生結果之前，都不會讓這個返回，也就是說響應方必須要產生了結果才能返回該調用，這就是同步；如果響應方在沒有產生結果之前，就立即返回了，至於真正的結果，往往通過回調的方式反饋給調用方，這就是異步。
- 阻塞和非阻塞：關注的是調用方在等待調用結果時的狀態。調用方發出一個調用後，響應方在沒有產生結果之前，調用方一直被掛起，不能做其他的事（敵不動，我不動），這就說明是阻塞的；如果響應方在沒有產生結果之前，調用方可以去做別的事，隔一段時間再來檢查調用是否返回了結果，這就是非阻塞的。
可以看到描述同步和異步的時候，只關心消息通信的機制，並不關心調用方的狀態；而描述阻塞和非阻塞的時候，只關心調用方的狀態，而不用關心消息通信機制。
舉個例子
你打電話問書店老闆有沒有《分佈式系統》這本書，如果是同步通信機制，書店老闆會說，你稍等，”我查一下"，然後開始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告訴你結果（返回結果）。而異步通信機制，書店老闆直接告訴你我查一下啊，查好了打電話給你，然後直接掛電話了（不返回結果）。然後查好了，他會主動打電話給你。在這裏老闆通過回電這種方式來回調。
還是這個例子
你打電話問書店老闆有沒有《分佈式系統》這本書，你如果是阻塞式調用，你會一直把自己“掛起”，直到得到這本書有沒有的結果，如果是非阻塞式調用，你不管老闆有沒有告訴你，你自己先一邊去玩了， 當然你也要偶爾過幾分鐘check一下老闆有沒有返回結果。
所有的系統I/O都分爲兩個階段：等待就緒和執行操作。
Linux的I/O模型主要有五類：阻塞 I/O（blocking IO）、非阻塞 I/O（nonblocking IO）、I/O 多路複用（ IO multiplexing）、信號驅動 I/O（ signal driven IO）、異步 I/O（asynchronous IO）。
BIO
BIO模式，數據的讀取寫入必須阻塞在一個線程內等待其完成。其操作流程如下
當調用方調用了recvfrom這個系統調用，kernel就開始了BIO的第一個階段：準備數據。這個過程需要等待，也就是說數據被拷貝到操作系統內核的緩衝區中是需要一個過程的。對用戶進程來說，自己會被阻塞。當kernel等到數據準備好了，它就會將數據從kernel中拷貝到用戶空間，然後kernel返回結果，用戶進程才解除阻塞的狀態，重新運行起來。
調用方從發起調用到收到響應，無論是等待就緒階段還是執行操作階段，一直都是被阻塞的，這種IO模型就是BIO。
NIO
NIO是同步非阻塞IO，其操作流程如下
當調用方調用了recvfrom這個系統調用，如果kernel中的數據還沒有準備好，會立刻返回一個error，調用方並不會被阻塞。對調用方來說，它發起一個read操作後，並不需要等待，而是馬上就得到了一個響應。調用方判斷結果是一個error時，它就知道數據還沒有準備好，於是它可以再次發送read操作，在兩次調用期間，可以進行別的操作。一旦kernel中的數據準備好了，並且又再次收到了用戶進程的系統調用，那麼它馬上就將數據拷貝到了用戶內存，然後返回。
可以看到NIO相對於BIO的改進主要是等待就緒階段，需要不斷的發起調用來檢查響應方是否已經準備就緒，而後面的執行操作階段與BIO一致。
IO多路複用
NIO模型中，應用進程一直在以輪訓的方式調用系統函數recvfrom，輪詢會消耗大量的CPU資源。爲了改進這個問題，於是出現了IO多路複用模型，IO多路複用模型中，輪訓由內核來完成。內核可以監視多個描述符的讀/寫等事件，一旦某個描述符就緒（可讀或者可寫），就能夠將發生的事件通知給關心的應用程序去處理該事件。IO多路複用模型如下
乍看之下，IO複用模型和BIO模型似乎區別不大，並且BIO模型只需要調用一個系統函數（recvfrom）而IO多路複用需要調用兩個系統函數（select和recvfrom）。IO多路複用模型的優勢就是內核可以監視多個描述符的讀/寫等事件，也就是說一個線程可以處理多個連接，只有有任意的描述符可讀或者可寫，內核就通知對應的應用進程去處理。
IO多路複用的實現機制可以分成三類：select、poll、epoll。
select是最初實現IO多路複用的版本、poll是對select的優化，而epoll是對poll的優化。
select方式實現的IO多路複用模型存在如下三個問題：
- 被監控的文件描述符集合有限制，一般32位默認是1024個。64位默認是2048。
cat /proc/sys/fs/file-max命令可以查看 - 文件描述符集合需要從用戶空間拷貝到內核空間的問題
- 當被監控的文件描述符中某些有數據可讀的時候，希望能夠從通知中得到有可讀事件的文件描述符列表，而不是需要遍歷整個文件描述符集合。
poll方式只解決了第一個問題，也就是解除了被監控的文件描述符集合的限制。只有epoll解決了後面兩個問題。
對於用戶空間和內核空間的數據拷貝問題，epoll通過內核與用戶空間mmap（內存映射）同一塊內存來解決。mmap將用戶空間的一塊地址和內核空間的一塊地址，同時映射到相同的一塊物理內存地址，使得這塊物理內存對內核和對用戶均可見，減少用戶態和內核態之間的數據拷貝。
epoll不是輪詢的方式遍歷文件描述符集合，不會隨着文件描述符數目的增加效率下降。只有活躍可用的文件描述符纔會調用回調函數。即epoll最大的優點就在於只關注可讀或者可寫的文件描述符。
信號驅動IO
信號驅動 I/O（ signal driven IO）首先Socket進行信號驅動IO，並安裝一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。當數據準備好時，進程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數中調用I/O操作函數處理數據。過程如下圖所示
異步IO
異步 I/O（asynchronous IO）：用戶進程進行aio_read系統調用之後，無論內核數據是否準備好，都會直接返回給用戶進程。用戶進程可以去做別的事情。等到socket數據準備好了，內核直接複製數據給用戶進程，然後從內核向進程發送通知。IO兩個階段，進程都是非阻塞的。異步過程如下圖所示：
總結
本文主要介紹了Linux操作系統中的五種I/O模型，一些應用軟件、java.io或者java.nio包下的類也是基於這些IO模型的封裝，所提供的上層API。理解IO模型非常重要，它能幫助我們構建跟高效的網絡服務器。
參考
- https://www.zhihu.com/question/19732473/answer/20851256
- https://www.zhihu.com/question/41706901
- 《Unix網絡編程》