前言
想象我们正在做一个聊天服务器，我们对一个socket执行read操作，会返回另一个端对这个socket的写入数据。上层用户看来, read是一个简单的系统调用，但是对底层操作系统来说却是一个复杂的过程。从等待数据在网络上就绪，到把网卡上的就绪数据拷贝到内核recv buffer，最后把内核buffer的就绪数据拷贝到用户进程，这是这个read系统调用在底层操作系统执行的过程。
我们可以把read系统调用的过程简单的分为两个阶段:
- 等待数据就绪（步骤一/阶段一）
想象你在代码里调用了System.in 终端等待用户输入。在网络世界里，就是等待客户端往这个socket里面写入数据
- 把就绪的数据从内核空间拷贝到用户的进程空间（步骤二/阶段二）
当客户端write数据之后，服务端的网卡最先收到这个数据，然后调用中断通知操作系统取走，操作系统取走之后把数据拷贝到服务端的进程
针对上面两个步骤的阻塞、非阻塞以及回调，就有了下面五种IO模型。
当我们谈论阻塞和非阻塞的时候，其实指的是需不需要经历阶段一：
等待数据就绪
五种IO模型
BIO Blocking IO Model 阻塞IO
BIO是最常用的IO模型，当我们调用read时，我们的线程会被阻塞，直到数据就绪并且内核把数据拷贝给了我们的进程。
recvfrom是我们执行read时，底层的系统调用。
每次调用read都要阻塞，这样效率很低，能不能不阻塞？可以！我们接着看下面的NIO。
NIO Nonblocking IO Model 非阻塞IO
当使用NIO时，执行read操作，会立马返回。
从上图可以看到，前三次系统调用立马返回了，由于没有数据准备所以返回的是EWOULDBLOCK的错误，第四次调用，由于数据已经就绪，那么在内核把数据拷贝到用户进程后,用户线程返回。
在数据准备好之前，应用一直轮询看数据是否准备好，这通常比较浪费CPU。
IO Multiplexing Model IO多路复用
IO多路复用是当前比较主流的高性能IO网络模型，像Netty,Nginx,Redis等的底层网络模型都是基于IO多路复用。
如上图所示，我们调用select(或者其它poll、epoll)而不是直接read。这个调用同样会被阻塞，直到我们注册在select中fd事件被触发才会返回。然后我们根据返回的触发事件，去做相应的IO操作，比如read操作。这个时候的read操作，数据已经准备好，所以不会阻塞。
表面上看，IO多路复用这种方式虽然用了两个系统调用，但是它可以让我们在一个线程中去监听多个fd。试想下，在前面的BIO中，我们作为一个服务器，要处理n个客户端连接的读写请求，为了不让一个客户端的处理阻塞其它客户端的响应，我们需要每个线程对应一个客户端连接。然而如果是IO多路复用，对于一个select我们可以在上面监听多个客户端连接，这也就意味着我们可以用一个线程处理多个客户端连接。
当然在客户端连接数量不多的情况下，是看不出差别的，甚至BIO性能还要优于IO多路复用，但是当连接数量上来，如果是BIO1:1的线程方式（一个线程对应一个客户端连接），那么线程的数量将非常多。线程是要占用资源的（在java中一般是分配512K到4M的内存），线程数量太多会导致应用OOM，并且线程间的频繁切换对CPU来说也是一项巨大的负担。
其实前人已经讨论过BIO的这些问题了，并把它称为C10K、C100K问题，有兴趣的可以搜索下。
Signal-Driven IO Model信号驱动IO模型
在信号驱动IO中，我们通过sigaction往感兴趣的fd上注册回调函数，这个系统调用会立即返回，这样在主线程中我们可以继续处理业务逻辑。当数据准备好了的时候，系统会回调我们刚才注册的handler，这样我们可以在handler中非阻塞的读取到达的数据。
信号驱动IO的优势是我们既不需要阻塞着等待数据，也不需要轮询去查看数据是否就绪，我们只需要事先注册一个回调函数，然后就可以干自己的事情了。
Asynchronous IO Model 异步IO
异步IO中，aio_read接受fd,buffer,handler等参数，一经调用，立马返回。当数据准备好并且已经从内核复制到用户进程（在这里就是刚刚的buffer参数）之后，我们的回调函数handler被触发。
可以看到异步IO和信号驱动IO还是非常类似的，但是唯一一个同样也是非常重要的不同就是信号驱动IO是在数据就绪（步骤一完成） 就会被触发，触发后读取还是需要内核把数据拷贝到用户进程，而异步IO则是在数据就绪（步骤一）+ 数据从内核拷贝到用户进程（步骤二） 都完成后才会被触发，触发时读取操作已经完成。
IO模型比较与总结
从上图可以看出前四种IO模型主要是在第一阶段不同，在阶段二前四种IO模型都是相同的。然而异步IO在阶段一和阶段二都和前面四种IO模型不同。
异步vs同步
在POSIX 标准中，同步和异步是这样定义的：
- 同步I/O操作会阻塞请求进程直到I/O操作完成（阶段一和阶段二都完成）
- 异步I/O操作不会阻塞请求进程
如果用上面这个定义的话，那么前面的四种IO模型(BIO\NIO\IO Mutiplexing\Signal-Driven IO)都是同步I/O，只有Asynchronous IO Model 是异步I/O
后记
这篇文章只是IO模型系列的开胃菜，后面会陆续更新select\poll\epoll以及Java中的具体BIO、NIO、IO多路复用的案例。
另外，这篇文章多是来源于《Unix Network Programming》第三版 6.2 IO模型章节。假期之前也一直搞不懂IO多路复用与各种IO模型的关系，找网上的博客，质量也是参差不齐，互相抄袭，直到看到了UNP这本书之后，才豁然开朗。
在这里和各位读者同时也和自己说一句：有时间多读读一手资料，从源头学习知识，减少信息的失真。
当然我这篇博客一点都不水哈～～
REF
参考资料：
- 《unix network programming》第三版 6.2IO模型
文章中图片与排版多是来源于此章节
- 《The Linux Programming Interface》 63 Alternative I/O Models
