java提供的IO有關的API
在Java中，主要有三種IO模型，分別是阻塞IO（BIO）、非阻塞IO（NIO）和 異步IO（AIO）。
Java中提供的IO有關的API，在文件處理的時候，其實依賴操作系統層面的IO操作實現的。比如在Linux 2.6以後，Java中NIO和AIO都是通過epoll來實現的，而在Windows上，AIO是通過IOCP來實現的。
可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解爲是Java語言對操作系統的各種IO模型的封裝。程序員在使用這些API的時候，不需要關心操作系統層面的知識，也不需要根據不同操作系統編寫不同的代碼。只需要使用Java的API就可以了。
Linux的五種IO模型
在Linux(UNIX)操作系統中，共有五種IO模型，分別是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型、信號驅動IO模型以及異步IO模型。
既然提到晚上喫魚，那就通過釣魚的例子來解釋這五種IO模型吧。
到底什麼是IO
我們常說的IO，指的是文件的輸入和輸出，但是在操作系統層面是如何定義IO的呢？到底什麼樣的過程可以叫做是一次IO呢？
拿一次磁盤文件讀取爲例，我們要讀取的文件是存儲在磁盤上的，我們的目的是把它讀取到內存中。可以把這個步驟簡化成把數據從硬件（硬盤）中讀取到用戶空間中。
其實真正的文件讀取還涉及到緩存等細節，這裏就不展開講述了。關於用戶空間、內核空間以及硬件等的關係如果讀者不理解的話，可以通過釣魚的例子理解。
釣魚的時候，剛開始魚是在魚塘裏面的，我們的釣魚動作的最終結束標誌是魚從魚塘中被我們釣上來，放入魚簍中。
這裏面的魚塘就可以映射成磁盤，中間過渡的魚鉤可以映射成內核空間，最終放魚的魚簍可以映射成用戶空間。一次完整的釣魚（IO）操作，是魚（文件）從魚塘（硬盤）中轉移（拷貝）到魚簍（用戶空間）的過程。
阻塞IO模型
我們釣魚的時候，有一種方式比較愜意，比較輕鬆，那就是我們坐在魚竿面前，這個過程中我們什麼也不做，雙手一直把着魚竿，就靜靜的等着魚兒咬鉤。一旦手上感受到魚的力道，就把魚釣起來放入魚簍中。然後再釣下一條魚。
映射到Linux操作系統中，這就是一種最簡單的IO模型，即阻塞IO。 阻塞 I/O 是最簡單的 I/O 模型，一般表現爲進程或線程等待某個條件，如果條件不滿足，則一直等下去。條件滿足，則進行下一步操作。
應用進程通過系統調用 recvfrom 接收數據，但由於內核還未準備好數據報，應用進程就會阻塞住，直到內核準備好數據報，recvfrom 完成數據報復制工作，應用進程才能結束阻塞狀態。
這種釣魚方式相對來說比較簡單，對於釣魚的人來說，不需要什麼特製的魚竿，拿一根夠長的木棍就可以悠閒的開始釣魚了（實現簡單）。缺點就是比較耗費時間，比較適合那種對魚的需求量小的情況（併發低，時效性要求低）。
非阻塞IO模型
我們釣魚的時候，在等待魚兒咬鉤的過程中，我們可以做點別的事情，比如玩一把王者榮耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我們要時不時的去看一下魚竿，一旦發現有魚兒上鉤了，就把魚釣上來。
映射到Linux操作系統中，這就是非阻塞的IO模型。應用進程與內核交互，目的未達到之前，不再一味的等着，而是直接返回。然後通過輪詢的方式，不停的去問內核數據準備有沒有準備好。如果某一次輪詢發現數據已經準備好了，那就把數據拷貝到用戶空間中。
應用進程通過 recvfrom 調用不停的去和內核交互，直到內核準備好數據。如果沒有準備好，內核會返回error，應用進程在得到error後，過一段時間再發送recvfrom請求。在兩次發送請求的時間段，進程可以先做別的事情。
這種方式釣魚，和阻塞IO比，所使用的工具沒有什麼變化，但是釣魚的時候可以做些其他事情，增加時間的利用率
信號驅動IO模型
我們釣魚的時候，爲了避免自己一遍一遍的去查看魚竿，我們可以給魚竿安裝一個報警器。當有魚兒咬鉤的時候立刻報警。然後我們再收到報警後，去把魚釣起來。
映射到Linux操作系統中，這就是信號驅動IO。應用進程在讀取文件時通知內核，如果某個 socket 的某個事件發生時，請向我發一個信號。在收到信號後，信號對應的處理函數會進行後續處理。
應用進程預先向內核註冊一個信號處理函數，然後用戶進程返回，並且不阻塞，當內核數據準備就緒時會發送一個信號給進程，用戶進程便在信號處理函數中開始把數據拷貝的用戶空間中。
這種方式釣魚，和前幾種相比，所使用的工具有了一些變化，需要有一些定製（實現複雜）。但是釣魚的人就可以在魚兒咬鉤之前徹底做別的事兒去了。等着報警器響就行了。
IO複用模型
我們釣魚的時候，爲了保證可以最短的時間釣到最多的魚，我們同一時間擺放多個魚竿，同時釣魚。然後哪個魚竿有魚兒咬鉤了，我們就把哪個魚竿上面的魚釣起來。
映射到Linux操作系統中，這就是IO複用模型。多個進程的IO可以註冊到同一個管道上，這個管道會統一和內核進行交互。當管道中的某一個請求需要的數據準備好之後，進程再把對應的數據拷貝到用戶空間中。
IO多路轉接是多了一個select函數，多個進程的IO可以註冊到同一個select上，當用戶進程調用該select，select會監聽所有註冊好的IO，如果所有被監聽的IO需要的數據都沒有準備好時，select調用進程會阻塞。當任意一個IO所需的數據準備好之後，select調用就會返回，然後進程在通過recvfrom來進行數據拷貝。
這裏的IO複用模型，並沒有向內核註冊信號處理函數，所以，他並不是非阻塞的。進程在發出select後，要等到select監聽的所有IO操作中至少有一個需要的數據準備好，纔會有返回，並且也需要再次發送請求去進行文件的拷貝。
這種方式的釣魚，通過增加魚竿的方式，可以有效的提升效率。
主要的應用場景：
- 服務器需要同時處理多個處於監聽狀態或多個連接狀態的套接字
- 服務器需要同時處理多種網絡協議的套接字
支持I/O多路複用的系統調用主要有select、pselect、poll、epoll。而當前推薦使用的是epoll，優勢如下：
- 支持一個進程打開的socket fd不受限制
- I/O效率不會隨着fd數目的增加而線性下將
- 使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞
- epoll擁有更加簡單的API
以上四種都是同步的
我們說阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型和信號驅動IO模型都是同步的IO模型。原因是因爲，無論以上那種模型，真正的數據拷貝過程，都是同步進行的。
信號驅動難道不是異步的麼？ 信號驅動，內核是在數據準備好之後通知進程，然後進程再通過recvfrom操作進行數據拷貝。我們可以認爲數據準備階段是異步的，但是，數據拷貝操作是同步的。所以，整個IO過程也不能認爲是異步的。
我們把釣魚過程，可以拆分爲兩個步驟：1、魚咬鉤（數據準備）。2、把魚釣起來放進魚簍裏（數據拷貝）。無論以上提到的哪種釣魚方式，在第二步，都是需要人主動去做的，並不是魚竿自己完成的。所以，這個釣魚過程其實還是同步進行的。
燒水的例子中，安裝報警器的水壺是異步的。
燒水的報警器一響，整個燒水過程就完成了。水已經是開水了。
釣魚的報警器一響，只能說明魚兒已經咬鉤了，但是還沒有真正的釣上來。
所以 ，使用帶有報警器的水壺燒水，燒水過程是異步的。
而使用帶有報警器的魚竿釣魚，釣魚的過程還是同步的。
異步IO模型
我們釣魚的時候，採用一種高科技釣魚竿，即全自動釣魚竿。可以自動感應魚上鉤，自動收竿，更厲害的可以自動把魚放進魚簍裏。然後，通知我們魚已經釣到了，他就繼續去釣下一條魚去了。
映射到Linux操作系統中，這就是異步IO模型。應用進程把IO請求傳給內核後，完全由內核去操作文件拷貝。內核完成相關操作後，會發信號告訴應用進程本次IO已經完成。
用戶進程發起aio_read操作之後，給內核傳遞描述符、緩衝區指針、緩衝區大小等，告訴內核當整個操作完成時，如何通知進程，然後就立刻去做其他事情了。當內核收到aio_read後，會立刻返回，然後內核開始等待數據準備，數據準備好以後，直接把數據拷貝到用戶控件，然後再通知進程本次IO已經完成。
這種方式的釣魚，無疑是最省事兒的。啥都不需要管，只需要交給魚竿就可以了。
5種IO模型對比
來源：https://juejin.im/post/5b94e93b5188255c672e901e