UNIX I/O 模型
根据冯.诺依曼结构，计算机结构分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
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输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。
输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。
从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。
为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space ） 。
平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，例如文件管理、进程通信、内存管理等。如果要进行 IO 操作，需要依赖内核空间的能力，用户空间的程序不能直接访问内核空间。
当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。
在平常开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络请求和响应）。
从应用程序的视角来看的话，应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用，而具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。
当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：
- 内核等待 I/O 设备准备好数据
- 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。
UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O和异步 I/O。
Java 常见的 I/O 模型
Java中的 IO（Input/Output）模型是管理计算机与外部设备（如磁盘、网络等）之间数据交换的重要机制。它定义了数据如何在应用程序和操作系统之间流动，以及如何处理这些流动过程中的阻塞、非阻塞、同步和异步等问题。Java中常见的IO模型包括 BIO（Blocking I/O，阻塞IO）、NIO（Non-Blocking I/O，非阻塞IO）、AIO（Asynchronous I/O，异步IO）等。
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图片来源：https://javaguide.cn
Blocking I/O （BIO）
BIO 模型是最传统的 IO 模型，它在读写数据过程中会发生阻塞现象。
Blocking IO 是指在执行输入/输出操作时，当用户线程发起 IO 请求后，内核会检查数据是否准备就绪，如果没有就绪，程序会被阻塞（即暂停执行），直到操作完成并返回结果为止。BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。
在使用 阻塞I/O 的情况下，当一个 I/O 操作开始执行时，程序将被阻塞，直到 I/O 操作完成并返回结果。这意味着程序无法继续执行其他任务，直到 I/O 操作完成。
比如，当一个程序从磁盘读取文件内容时，如果使用阻塞I/O，该程序将一直等待文件读取完成，然后才能继续执行后续的操作。
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BIO 的特点是相对简单易用，但在 I/O 操作执行期间会导致程序的停顿，降低了整体的并发性和吞吐量。
BIO 适用于客户端连接数量不高的情况。但当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是十分低效的。
New I/O （NIO）
Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 基于缓冲区、选择器和非阻塞 IO 模型的 IO 处理方式。
NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它是支持面向缓冲的，基于通道（Channel）的 I/O 操作方法。 可以实现更高的并发、更低的延迟以及更少的资源消耗，适用于高负载、高并发的（网络）应用。
对于文件等 IO 操作，由于 NIO 需要额外的缓冲区和选择器等机制，可能并不能比传统阻塞 IO 提供更好的性能。
Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型/多路复用模型。其核心组件为：
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Buffer（缓冲区）：用于存储数据的容器，提供了数据的读写操作。
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Channel（通道）：用于连接
Buffer和Selector，可以进行双向读写操作。 -
Selector（选择器）：用于监听多个
Channel的事件，当某个Channel有数据可读或可写时，Selector会通知用户线程进行处理。
NIO 模型适用于连接数目多且连接时间较短的场景，如聊天服务器、弹幕系统等。通过 Selector，NIO 模型可以实现一个线程管理多个连接，从而显著提高系统性能。
同步非阻塞模型
同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。
相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。
但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。
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多路复用模型
在 NIO 中，数据通过 buffer 进行传输和处理。Seletor 用于管理多个 Channel，可以通过它实现多路复用，即同时监视多个 channel 的 IO 事件。
通过 Selector 只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。
IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。
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select 调用：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
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epoll 调用：
linux 2.6内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。
当任意一个通道准备好进行 IO 操作时，选择器就会通知应用程序进行相应的处理。这种方式避免了线程阻塞和轮询操作的开销，提高了应用程序的并发性能。另外，NIO 还提供了非阻塞和异步的 IO 操作方式。
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图片来源：https://javaguide.cn
Asynchronous I/O（AIO）
AIO 就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型，实现了真正的异步 IO 操作。
提供了一种基于事件和回调机制的异步 IO 处理方式。相对于传统的 BIO 和 NIO 模型，AIO 提供了更高级的 IO 操作和处理能力。
AIO 的特点是在进行 IO 操作时不会阻塞，应用程序可以继续执行其他任务，不需要等待系统调用的结果，也不需要进行数据的轮询操作。而不需要等待 IO 操作的完成。当 IO 操作完成时，操作系统会通知应用程序，并通过回调函数处理 IO 结果。这样可以提高应用程序的并发性能和响应能力，特别适用于处理大量的并发 IO 请求。
![![[AIO Model.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/5a189e7cedb3459f96b1c0b4ed501b67.png)
AIO 的实现基于操作系统提供的异步 IO 机制，如 Linux 中的 epoll 和Windows 中的"I/O Completion Port"。通过使用操作系统提供的异步IO 特性，AIO 能够将 IO 操作的完成通知直接传递给应用程序，避免了线程的阻塞和轮询操作，提高了 IO 操作的效率和吞吐量。
在 Java中，AIO API 主要是通过 AsynchronousChannel 和CompletionHandler 接口来实现的。应用程序可以通过注册事件和回调函数的方式来处理异步 IO 操作的结果，适用于高并发、高吞吐量的网络通信和 IO 操作场景，如高性能的服务器和分布式系统等。
