目录
1、同步阻塞IO(BIO)
2、同步非阻塞IO(NIO)
3、多路复用IO
3.1、select(轮询)
3.2、poll(轮询)
3.3、epoll(事件驱动)
3.4、select、poll、epoll总结
4、异步IO模型(AIO)
网络IO涉及的两个对象：用户线程 + 系统内核。
当一个read发生时，会经历两个阶段：
- 数据准备：将数据复制到内核态Buffer中。数据准备阶段，数据可能还未发送完，或者正在发送途中，此时内核态Buffer中的数据并不完整。
- 数据复制：将内核态Buffer中的数据复制到用户态的Buffer中。
阻塞和非阻塞描述的是用户线程调用内核IO操作的方式；
同步和异步描述的是用户线程与内核的交互方式。
- 阻塞：IO操作需要彻底完成后，才返回到用户线程执行用户操作。
- 非阻塞：IO操作被调用后，立即返回一个状态值给用户线程，用户线程就可以去做其他操作。
- 同步：用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行。
- 异步：用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。
1、同步阻塞IO(BIO)
面向流，同步阻塞IO。服务器一个线程只处理一个客户端的连接。
在IO执行的两个阶段(数据准备和数据复制)，用户线程都是阻塞的。
- 数据准备：系统内核还未接收到一个完整的TCP包，需要等待足够的数据到来。此时用户线程进入阻塞状态。
- 数据复制：系统内核等到数据准备好了，会将数据从内核Buffer中拷贝到用户内存中，然后返回结果，用户线程才会解除线程阻塞状态。
优点：在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，基本不占用CPU资源。
缺点：高并发场景下，需要大量线程来维护大量网络连接，内存、线程切换开销巨大。
2、同步非阻塞IO(NIO)
用户线程发起read请求：
- 内核数据未准备好：当内核中的数据还未准备好时，内核会立刻返回一个错误给用户线程；
- 线程轮询：如果用户线程接收到内核返回的错误状态，用户线程会不断向内核发起read操作；
- 内核数据已准备好：当系统内核中的数据准备好后， 用户线程阻塞，内核开始复制数据到用户内存，然后返回结果；用户线程读取到数据后，解除阻塞状态。
优点：在内核等待数据的过程中，用户线程不会阻塞。
缺点：内核等待数据过程中，用户线程会不断轮询内核，发送read请求，占用较多的CPU资源。
3、多路复用IO
- 多路：多个TCP连接(即socket或者channel)
- 复用：复用一个或几个线程。
即：同一个线程内同时处理多个TCP连接。 优势是减少系统开销，不必创建/维护过多的线程。
为了避免Nio模型中的轮询等待问题，有了IO多路复用模型，也叫做事件驱动IO(Reactor设计模式)，基本原理就是有个函数会不断地轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。
多路复用IO一句话总结：在一个进程里面开辟多个通道，然后进程会去轮询准备就绪的通道，被选中的通道去进行读写操作。
Reactor: 事件分派器，负责事件的注册，删除以及对所有注册到事件分派器的事件进行监控， 当事件发生时会调用Event Handler接口来处理事件。
流程如下：
- 用户线程注册事件处理器，之后可以继续执行做其他的工作(异步)。
- Reactor线程负责调用内核的select/poll/epoll函数检查socket状态。
- 当有socket被激活时，通知相应的用户线程(或执行用户线程的回调函数)，执行handle_event进行数据读取、处理的工作。
- 用户线程发起IO请求，读取数据，进行后续业务处理。发起请求时，数据已经到达，所以用户线程不会阻塞。
3.1、select(轮询)
- Select连接文件描述（socket）有限制，默认1024，由FD_SETSIZE设置，采用数组存储。
- 在检查是否有socket需要读写时，轮询，采用线性扫描。
- 每次调用select，都需要把fd_set集合从用户态拷贝到内核态，并在内核遍历传递进来的fd_set，开销大。
3.2、poll(轮询)
Poll模型和selector模型没有本质区别：别在于selector模型有注册数量限制1024，而poll没有限制，因为poll是基于链表存储的。
3.3、epoll(事件驱动)
基于事件驱动的IO方式，没有文件描述符(socket)限制，epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。
- epoll 没有最大并发连接的限制，上限是最大可以打开文件的数目，如：在1GB内存的机器上大约是10万左右。
- 效率提升， epoll 最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接 ，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境 中， epoll 的效率就会远远高于 select 和 poll 。
- epoll使用了共享内存，不用做内存拷贝
3.4、select、poll、epoll总结
4、异步IO模型(AIO)
读操作流程如下：
- 用户线程向内核发起异步read请求，向内核注册某个IO操作；
- 请求立即返回，此时用户线程不阻塞，可以去做其他操作；
- 内核完成数据准备和数据复制操作后，内核会给用户线程发送一个信号，或者调用用户线程注册的回调函数，告诉用户线程read操作完成；
- 用户线程读取用户缓冲区的数据，执行线程的后续操作。
优点：真正的异步输入输出，吞吐量高。
缺点：应用程序仅需要进行事件的注册和接收，其余工作都留给了操作系统，需要底层内核支持。
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