大家知道，用戶程序進(jìn)行IO讀寫(xiě)，依賴于操作系統(tǒng)底層的IO讀寫(xiě)，基本上會(huì)用到底層的read&write兩大系統(tǒng)調(diào)用。

這里涉及一個(gè)基礎(chǔ)的知識(shí):

read系統(tǒng)調(diào)用，并不是直接從物理設(shè)備把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，write系統(tǒng)調(diào)用，也不是把數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入到物理設(shè)備

上層應(yīng)用無(wú)論是調(diào)用操作系統(tǒng)的read，還是調(diào)用操作系統(tǒng)的write，都會(huì)涉及緩沖區(qū)。具體來(lái)說(shuō)，調(diào)用操作系統(tǒng)的read，是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到進(jìn)程緩沖區(qū)；而write系統(tǒng)調(diào)用，是把數(shù)據(jù)從進(jìn)程緩沖區(qū)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)。

上圖顯示了塊數(shù)據(jù)如何從外部源（例如硬盤(pán)）移動(dòng)到正在運(yùn)行的進(jìn)程（例如RAM）內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)的簡(jiǎn)化“邏輯”圖。

緩沖區(qū)的目的，是為了減少頻繁地與設(shè)備之間的物理交換。大家都知道，外部設(shè)備的直接讀寫(xiě)，涉及操作系統(tǒng)的中斷。發(fā)生系統(tǒng)中斷時(shí)，需要保存之前的進(jìn)程數(shù)據(jù)和狀態(tài)等信息，而結(jié)束中斷之后，還需要恢復(fù)之前的進(jìn)程數(shù)據(jù)和狀態(tài)等信息。為了減少這種底層系統(tǒng)的時(shí)間損耗、性能損耗，于是出現(xiàn)了內(nèi)存緩沖區(qū)。

有了內(nèi)存緩沖區(qū)，上層應(yīng)用使用read系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，僅僅把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到上層應(yīng)用的緩沖區(qū)（進(jìn)程緩沖區(qū)）；上層應(yīng)用使用write系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，僅僅把數(shù)據(jù)從進(jìn)程緩沖區(qū)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)中。底層操作會(huì)對(duì)內(nèi)核緩沖區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，等待緩沖區(qū)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，再進(jìn)行IO設(shè)備的中斷處理，集中執(zhí)行物理設(shè)備的實(shí)際IO操作，這種機(jī)制提升了系統(tǒng)的性能。至于什么時(shí)候中斷（讀中斷、寫(xiě)中斷），由操作系統(tǒng)的內(nèi)核來(lái)決定，用戶程序則不需要關(guān)心

從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，在Linux系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核只有一個(gè)內(nèi)核緩沖區(qū)。而每個(gè)用戶程序（進(jìn)程），有自己獨(dú)立的緩沖區(qū)，叫作進(jìn)程緩沖區(qū)。所以，用戶程序的IO讀寫(xiě)程序，在大多數(shù)情況下，并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的IO操作，而是在進(jìn)程緩沖區(qū)和內(nèi)核緩沖區(qū)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換

文件句柄，也叫文件描述符。在Linux系統(tǒng)中，文件可分為：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設(shè)備文件。文件描述符（File Descriptor）是內(nèi)核為了高效管理已被打開(kāi)的文件所創(chuàng)建的索引，它是一個(gè)非負(fù)整數(shù)（通常是小整數(shù)），用于指代被打開(kāi)的文件。所有的IO系統(tǒng)調(diào)用，包括socket的讀寫(xiě)調(diào)用，都是通過(guò)文件描述符完成的。

介紹4種IO模型之前要先介紹兩組概念

阻塞與非阻塞

阻塞IO，指的是需要內(nèi)核IO操作徹底完成后，才返回到用戶空間執(zhí)行用戶的操作。阻塞指的是用戶空間程序的執(zhí)行狀態(tài)。傳統(tǒng)的IO模型都是同步阻塞IO。在Java中，默認(rèn)創(chuàng)建的socket都是阻塞的

同步與異步

同步IO，是一種用戶空間與內(nèi)核空間的IO發(fā)起方式。同步IO是指用戶空間的線程是主動(dòng)發(fā)起IO請(qǐng)求的一方，內(nèi)核空間是被動(dòng)接受方。異步IO則反過(guò)來(lái)，是指系統(tǒng)內(nèi)核是主動(dòng)發(fā)起IO請(qǐng)求的一方，用戶空間的線程是被動(dòng)接受方

在Java應(yīng)用程序進(jìn)程中，默認(rèn)情況下，所有的socket連接的IO操作都是同步阻塞IO（Blocking IO）。

在阻塞式IO模型中，Java應(yīng)用程序從IO系統(tǒng)調(diào)用開(kāi)始，直到系統(tǒng)調(diào)用返回，在這段時(shí)間內(nèi)，Java進(jìn)程是阻塞的。返回成功后，應(yīng)用進(jìn)程開(kāi)始處理用戶空間的緩存區(qū)數(shù)據(jù)。

阻塞IO的優(yōu)點(diǎn)是：

應(yīng)用的程序開(kāi)發(fā)非常簡(jiǎn)單；在阻塞等待數(shù)據(jù)期間，用戶線程掛起。在阻塞期間，用戶線程基本不會(huì)占用CPU資源。

阻塞IO的缺點(diǎn)是：

一般情況下，會(huì)為每個(gè)連接配備一個(gè)獨(dú)立的線程；反過(guò)來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)線程維護(hù)一個(gè)連接的IO操作。在并發(fā)量小的情況下，這樣做沒(méi)有什么問(wèn)題。但是，當(dāng)在高并發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景下，需要大量的線程來(lái)維護(hù)大量的網(wǎng)絡(luò)連接，內(nèi)存、線程切換開(kāi)銷(xiāo)會(huì)非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景下是不可用的。

同步非阻塞IO的特點(diǎn)：

應(yīng)用程序的線程需要不斷地進(jìn)行IO系統(tǒng)調(diào)用，輪詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，如果沒(méi)有準(zhǔn)備好，就繼續(xù)輪詢，直到完成IO系統(tǒng)調(diào)用為止。

同步非阻塞IO的優(yōu)點(diǎn)：

每次發(fā)起的IO系統(tǒng)調(diào)用，在內(nèi)核等待數(shù)據(jù)過(guò)程中可以立即返回。用戶線程不會(huì)阻塞，實(shí)時(shí)性較好。

同步非阻塞IO的缺點(diǎn)：

不斷地輪詢內(nèi)核，這將占用大量的CPU時(shí)間，效率低下

總體來(lái)說(shuō)，在高并發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景下，同步非阻塞IO也是不可用的。一般Web服務(wù)器不使用這種IO模型。這種IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。在Java的實(shí)際開(kāi)發(fā)中，也不會(huì)涉及這種IO模型

如何避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問(wèn)題呢？這就是IO多路復(fù)用模型

在IO多路復(fù)用模型中，引入了一種新的系統(tǒng)調(diào)用，查詢IO的就緒狀態(tài)。在Linux系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用為select/epoll系統(tǒng)調(diào)用。通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)用，一個(gè)進(jìn)程可以監(jiān)視多個(gè)文件描述符，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是內(nèi)核緩沖區(qū)可讀/可寫(xiě)），內(nèi)核能夠?qū)⒕途w的狀態(tài)返回給應(yīng)用程序。隨后，應(yīng)用程序根據(jù)就緒的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的IO系統(tǒng)調(diào)用。

目前支持IO多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用，有select、epoll等等。select系統(tǒng)調(diào)用，幾乎在所有的操作系統(tǒng)上都有支持，具有良好的跨平臺(tái)特性。epoll是在Linux 2.6內(nèi)核中提出的，是select系統(tǒng)調(diào)用的Linux增強(qiáng)版本。

在IO多路復(fù)用模型中通過(guò)select/epoll系統(tǒng)調(diào)用，單個(gè)應(yīng)用程序的線程，可以不斷地輪詢成百上千的socket連接，當(dāng)某個(gè)或者某些socket網(wǎng)絡(luò)連接有IO就緒的狀態(tài)，就返回對(duì)應(yīng)的可以執(zhí)行的讀寫(xiě)操作

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明IO多路復(fù)用模型的流程。發(fā)起一個(gè)多路復(fù)用IO的read讀操作的系統(tǒng)調(diào)用，流程如下：

IO多路復(fù)用模型的特點(diǎn)

IO多路復(fù)用模型的優(yōu)點(diǎn)

與一個(gè)線程維護(hù)一個(gè)連接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大優(yōu)勢(shì)在于，一個(gè)選擇器查詢線程可以同時(shí)處理成千上萬(wàn)個(gè)連接（Connection）。系統(tǒng)不必創(chuàng)建大量的線程，也不必維護(hù)這些線程，從而大大減小了系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)。

IO多路復(fù)用模型的缺點(diǎn)

本質(zhì)上，select/epoll系統(tǒng)調(diào)用是阻塞式的，屬于同步IO。都需要在讀寫(xiě)事件就緒后，由系統(tǒng)調(diào)用本身負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫(xiě)，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫(xiě)過(guò)程是阻塞的

如果要徹底地解除線程的阻塞，就必須使用異步IO模型

異步IO模型（Asynchronous IO，簡(jiǎn)稱為AIO）。AIO的基本流程是：用戶線程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，向內(nèi)核注冊(cè)某個(gè)IO操作。內(nèi)核在整個(gè)IO操作（包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)復(fù)制）完成后，通知用戶程序，用戶執(zhí)行后續(xù)的業(yè)務(wù)操作。

舉個(gè)例子。發(fā)起一個(gè)異步IO的read讀操作的系統(tǒng)調(diào)用，流程如下：

異步IO模型的特點(diǎn)

在內(nèi)核等待數(shù)據(jù)和復(fù)制數(shù)據(jù)的兩個(gè)階段，用戶線程都不是阻塞的。用戶線程需要接收內(nèi)核的IO操作完成的事件，或者用戶線程需要注冊(cè)一個(gè)IO操作完成的回調(diào)函數(shù)。正因?yàn)槿绱?，異步IO有的時(shí)候也被稱為信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO

異步IO異步模型的缺點(diǎn)

應(yīng)用程序僅需要進(jìn)行事件的注冊(cè)與接收，其余的工作都留給了操作系統(tǒng)，也就是說(shuō)，需要底層內(nèi)核提供支持。 理論上來(lái)說(shuō)，異步IO是真正的異步輸入輸出，它的吞吐量高于IO多路復(fù)用模型的吞吐量

就目前而言，Windows系統(tǒng)下通過(guò)IOCP實(shí)現(xiàn)了真正的異步IO。而在Linux系統(tǒng)下，異步IO模型在2.6版本才引入，目前并不完善，其底層實(shí)現(xiàn)仍使用epoll，與IO多路復(fù)用相同，因此在性能上沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。 大多數(shù)的高并發(fā)服務(wù)器端的程序，一般都是基于Linux系統(tǒng)的。因而，目前這類(lèi)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，大多采用IO多路復(fù)用模型