一、什么是IO？
对于磁盘IO，将数据从磁盘中读取数据到内存空间为输入
input，相反地将数据从内存空间写入磁盘就是输出output
何为IO？简单而言就是输入输出，I/O=input/output。对计算机而言，IO是计算机核心与其他设备间数据迁移的过程。
二、IO基础概念
🌟 同步与异步
同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的
- 同步：用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪。即A调用B，B在处理完之前不会通知A，只有等待处理完之后才会通知A
- 异步：用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。即A调用B，B在接到请求后先告诉A我已经接到请求了，然后异步去处理，处理完之后通过回调等方式再通知A
- 判断窍门：是否需要马上返回结果
🌟 阻塞与非阻塞
阻塞与非阻塞是针对用户就和内核空间IO操作的方式而言的
- 阻塞：用户空间通过系统调用和内核空间发送IO操作时，该调用是堵塞的需要等待的。即A调用B，A需要一直等着B的返回，期间不能进行其他操作
- 非阻塞：用户空间通过系统调用和内核空间发送IO操作时，该调用是不堵塞的，直接返回的，只是返回时，可能没有数据而已。即A调用B，A无需一直等着B的返回，可以进行其他操作
- 判断窍门：是否需要一直等待
🌟 用户空间以及内核空间
在Linux中，虚拟内存被操作系统划分为两块：内核空间和用户空间，内核空间是操作系统内核访问的内存区域，是受保护的内存空间，用户空间是用户应用程序访问的内存区域。处于安全方面的考虑，这两块的内存区域是相互隔离的，用户空间的崩溃不会影响到内核空间。
用户空间不能直接调用系统资源，可以通过系统调用（system call）向内核发起请求，调用系统资源（通过系统调用，可以从用户空间切换到内核空间）
🌟 IO的分类
IO可以分为内存IO、网络IO、磁盘IO，我们通常的IO指后两种。
I/O按照设备来分可以分为两种：一种是网络IO，也就是通过网络进行数据的拉取和输出；另一种是磁盘IO,主要是对磁盘进行读写工作。
磁盘IO以及网络IO之间的对比：
磁盘IO的主要延迟=机械转动延时+寻址延时+块传输延时
网络IO的主要延迟=服务器响应+带宽限制+网络延时+跳转路由延时+本地接收延时
🌟 一次IO操作的过程
应用程序的一次IO操作主要可以分为两个阶段：
- IO调用：应用程序进程向操作系统内核发起调用
- IO执行：操作系统内核完成IO操作
IO调用由进程发起（用户态），IO执行是系统内核的工作（内核态）
操作系统内核完成IO包括两个阶段：
- 数据准备：内核等待IO设备准备好数据
- 数据拷贝：将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区
三、IO模型
同步阻塞IO：
Blocking IO，传统IO模型
同步非阻塞IO：
Non-blocking IO，默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK
IO多路复用：
IO Multiplexing，并发式同步阻塞IO，使用Reactor设计模式，例如Java中的Selector、Linux中的epoll
异步IO：
Aysnchronous IO，异步非阻塞IO，使用Proactor设计模式
（1）同步阻塞IO模型
用户空间的进程发起IO系统调用后，会导致进程被阻塞，转到内核空间处理，直到数据准备好，并将数据从内核复制到用户进程，整个IO处理完毕后才返回成功提示。这个过程，整个进程被阻塞，不能处理其他IO。
使用场景：阻塞Socket、Java BIO
调用应用程序处于一种不再消费CPU而只是简单等待相应的状态；如果内核数据一直没准备好，用户进程将会一直阻塞
（2）同步非阻塞IO模型
用户空间的进程发起IO系统调用后，内核会立马返回结果给进程，如果内核数据准备好，返回数据，否则返回一个错误信息，用户进程不会一直被阻塞，而是通过轮询的方式再次进行请求，直到数据准备好，在将内核数据拷贝到用进程。（拷贝数据的过程仍是阻塞的）
相对于阻塞IO，虽然大幅提升了性能，但是它依然存在性能问题，即频繁的轮询，导致频繁的系统调用，同样会消耗大量的CPU资源
（3）IO多路复用模型
IO多路复用，系统为我们提供一类函数，可以监听多个fd操作，任何一个返回内核数据就绪，应用进程再发起系统调用获取数据，Linux中IO复用的实现方式有select、poll、epoll
select：
（4）信号驱动模型
当进程发起一个IO操作，不会主动询问确认数据是否就绪，而是会向内核发送一个信号，然后进程可以去做别的事情，不会导致阻塞；当内核数据就绪时会发送一个信号通知用户进程，进程收到信号便调用系统调用读取数据。
信号驱动模型，数据准备好通知进程读取数据时，数据复制仍是阻塞的，除此之外，Linux中信号队列是有限制的，超过限制就无法读取数据。
（5）异步IO模型
AIO实现IO全流程非阻塞，当进程发起一个IO操作，进程不阻塞，但也不会立即返回数据结果。内核把整个IO处理完后，会发送信号通知用户进程结果，如果IO操作成功则用户进程直接获取到数据。
四、小结
| 同/异步 | 阻塞 | 非阻塞 |
|---|---|---|
| 同步 | 阻塞IO/IO多路复用 | 非阻塞IO/信号驱动IO |
| 异步 | xxx | 异步IO |
阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO本质上都是同步的IO模型
