网络 IO 模型简单介绍

一、同步阻塞 IO（BIO）

当用户线程调用了 read 系统调用，内核（kernel）就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候 kernel 就要等待足够的数据到来。

当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。

从用户线程 read 系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态，一直到 kernel 返回结果后，用户线程才解除 block 的状态，重新运行起来。

BIO 的特点：在内核进行 IO 执行的两个阶段，用户线程都被 block 了。

BIO 的优点：程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，用户线程基本不会占用 CPU 资源。

BIO 的缺点：一般情况下，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的 IO 流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上，BIO 模型在高并发场景下是不可用的。

二、同步非阻塞 IO（NIO）

当用户线程调用了 read 系统调用，立即返回，不阻塞线程，用户线程需要不断地发起 IO 系统调用轮询数据是否准备好；

kernel 数据准备好后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。

用户线程解除 block 状态，重新运作起来。

NIO 的特点：应用程序的线程需要不断的进行 I/O 系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到完成系统调用为止。

NIO 的优点：每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回，用户线程不会阻塞，实时性较好。

NIO 的缺点：需要不断的重复发起 IO 系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。

NIO 模型在高并发场景下，也是不可用的。一般 web 服务器不直接使用这种 IO 模型，而是在其他 IO 模型中使用非阻塞 IO 这一特性。java 的实际开发中，也不会涉及这种 IO 模型。

三、IO 多路复用

当用户线程调用了 read 系统调用，用户线程不直接访问 kernel ，而是进行 select/poll/epoll（多路复用器）系统调用。当然，这里有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到 select/poll/epoll 的可查询 socket 列表中（这部分由 kernel 完成）。

用户线程进行 select/poll/epoll 系统调用，线程阻塞，查询可以读的连接，kernel 会查询所有 select/poll/epoll 的可查询 socket 列表，当任何一个 socket 中的数据准备好了，select/poll/epoll 就会返回。

用户线程获得了目标连接后，发起 read 系统调用，线程阻塞，内核开始复制数据，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。

用户线程才解除 block 的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

多路复用 IO 的特点：

1. 建立在操作系统 kernel 内核能够提供的多路复用系统调用 select/poll/epoll 基础之上的，多路复用 IO 需要用到两个系统调用（system call）， 一个 select/poll/epoll 查询调用，一个是 IO 的读取调用。
2. 和 NIO 模型类似，多路复用 IO 需要轮询，需要有单独的线程不断的进行 select/poll/epoll 轮询，查找出可以进行 IO 操作的连接。
3. 多路复用 IO 模型与前面的 NIO 模型是有关系的，对于每一个可以查询的 socket，一般都设置成为 non-blocking 模型。

多路复用 IO 的优点：用 select/poll/epoll 的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O 多路复用不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

多路复用 IO 的缺点：本质上，select/poll/epoll 系统调用，属于同步 IO，也是阻塞 IO，需要在读写事件就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

tips：

1. "多路"指的是多个连接；"复用"指的是复用一个进程/线程进行监控。
2. Java 的 NIO（New IO）技术，使用的就是 IO 多路复用模型。在 linux 系统上，使用的是 epoll 系统调用。

四、异步非阻塞IO（AIO）

当用户线程调用了 read 系统调用，用户线程立刻就能去做其它的事，用户线程不阻塞。

内核（kernel）就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据，当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

然后，kernel 会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程 read 操作完成了。

用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

AIO 的特点：

1. 在内核 kernel 的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是 block 的。
2. 用户线程需要接受 kernel 的 IO 操作完成的事件，或者说注册 IO 操作完成的回调函数到操作系统的内核，因此，异步 IO 有的时候也叫做信号驱动 IO。

AIO 的缺点：需要完成事件的注册与传递，这里边需要底层操作系统提供大量的支持，去做大量的工作。

目前来说， Windows 系统下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，但是，就目前的业界形式而言，Windows 系统，很少作为百万级以上或者说高并发应用的服务器操作系统来使用。

而在 Linux 系统下，异步 IO 模型在2.6版本才引入，目前并不完善。所以，这也是在 Linux 下，实现高并发网络编程时都是以 IO 复用模型模式为主。（https://github.com/netty/netty/issues/2515）