I/O模型详解

一、概念理解

1. IO：IO有内存IO、磁盘IO、网络IO，通常说的IO是指后两种。网络IO即为socket读取，socket在linux中被抽象为流，IO可以理解为对流的操作，对于一次IO访问（以read举例）当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
   第一阶段：等待数据准备，数据从磁盘拷贝到内核空间。
   第二阶段：将数据从内核空间拷贝到进程空间 。
2. 阻塞和非阻塞：是函数/方法的实现方式，即在数据就绪之前是立刻返回还是等待。
3. 同步和异步：同步就是当有多个任务或事件时，一个任务的执行会导致整个流程的暂时等待，没办法并发执行；异步就是当有多个任务或事件时，可以并发的执行。

二、五种IO模型

1. 阻塞IO模型
   传统的IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。
   用户线程发起一个IO（调用IO函数）请求时,内核会查看数据是否准备ok,如果没有准备就绪,线程就会一直等待,线程处于阻塞状态,用户线程交出cpu。直到数据准备完毕，内核将数据拷贝到用户内存，将结果返回到用户线程（IO函数返回成功），用户才解除阻塞状态。
   如图：
   
   （1）当调用recv()函数时，系统首先检查是否有准备好的数据，如果数据没有准备好，那么系统就处于等待状态；
   （2）当数据准备好后，将数据从系统缓冲区拷贝到用户空间，然后函数返回。

2. 非阻塞IO模型
   当用户线程发起IO（调用IO函数）请求时，如果内核数据还没有准备好，并不需要等待，IO函数会立马返回一个error结果，IO函数会不断询问数据结果，直到数据准备完成为止。
   非阻塞IO模型，线程会不断询问内核数据是否准备好，一直占用着cpu。
   典型的非阻塞IO模型一般如下：

while(true){

data = socket.read();

if(data!= error){

   处理数据
   break;

}

}

（1）这是一个轮询的过程。
（2）每次用户询问内核是否有数据报准备好，数据报准备好时，就进行拷贝数据报的操作。
（3）当数据报没有准备好的时候，也不阻塞程序，内核直接返回未准备就绪的信号，等待用户程序的下一次轮询。

3. 多路复用IO模型
   多路复用IO模型是目前使用比较多的模型，java NIO使用的是多路复用IO模型。
   在多路复用IO模型中，会有一个线程会不断的询问socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。
   　　在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。
   　　多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。
   　　多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高，是因为在非阻塞IO中，不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。
   　如图：![d
   （1）与阻塞式IO相比类似，多了一个select函数。
   （2）直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。
4. 信号驱动IO模型
   当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。
   
   由图可知：
   （1）首先建立一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。
   （2）当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号
   （3）在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据报
5. 异步IO模型
   异步IO的两个阶段都不会阻塞用户线程，两个阶段都由内核自动完成。然后发送一个信号通知用户线程操作已经完成。用户线程不需要再次调用IO函数进行具体的读写操作。
   
   （1）当应用程序调用aio_read的时候，内核一方面去取数据报内容，另外一方面将程序控制权还给应用进程，进程继续执行。
   （2）应用进程继续处理其他事务（应用进程就是一种非阻塞的状态）
   （3）当内核的数据报就绪的时候，由内核将数据报拷贝到应用进程中，返回给aio_read中定义好的函数处理程序

参考链接：https://blog.youkuaiyun.com/ocean_fan/article/details/79622956
https://blog.youkuaiyun.com/baidu_37964071/article/details/80517531