可以把整个IO分为两个阶段
I/O的三种方式
- 缓存IO
最常见的一种IO方式，磁盘->内核缓冲区->用户空间 - 直接IO
磁盘->用户空间，该方式IO见于数据库系统 - 内存映射
用户空间的一部分区域和内核缓冲区共享，比如epoll模式中
UNIX的5种I/O模型
用钓鱼来类比操作系统的IO
钓鱼的时候，刚开始鱼是在鱼塘里面的，我们的钓鱼动作的最终结束标志是鱼从鱼塘中被我们钓上来，放入鱼篓中。这里面的鱼塘就可以映射成磁盘，中间过渡的鱼钩可以映射成内核空间，最终放鱼的鱼篓可以映射成用户空间。一次完整的钓鱼（IO）操作，是鱼（文件）从鱼塘（硬盘）中转移（拷贝）到鱼钩（内核空间）再到鱼篓（用户空间）的过程。
- 阻塞I/O模型
等待数据到达+将数据从内核空间复制到用户空间，在等待数据阶段（等待鱼儿上钩阶段）拿着鱼竿啥都不做一直盯着鱼竿看，应用进程通过系统调用 recvfrom 接收数据，但由于内核还未准备好数据报，应用进程就会阻塞住，直到内核准备好数据报，recvfrom 完成数据报复制工作，应用进程才能结束阻塞状态。 - 非阻塞I/O模型
我们钓鱼的时候，在等待鱼儿咬钩的过程中，我们可以做点别的事情，比如玩一把王者荣耀、看一集《延禧攻略》等等。但是，我们要时不时的去看一下鱼竿，一旦发现有鱼儿上钩了，就把鱼钓上来。
应用进程通过 recvfrom 调用不停的去和内核交互，直到内核准备好数据。如果没有准备好，内核会返回error，应用进程在得到error后，过一段时间再发送recvfrom请求。在两次发送请求的时间段，进程可以先做别的事情。这种方式钓鱼，和阻塞IO比，所使用的工具没有什么变化，但是钓鱼的时候可以做些其他事情，增加时间的利用率。 - 信号驱动模型
我们钓鱼的时候，为了避免自己一遍一遍的去查看鱼竿，我们可以给鱼竿安装一个报警器。当有鱼儿咬钩的时候立刻报警。然后我们再收到报警后，去把鱼钓起来。
映射到Linux操作系统中，这就是信号驱动IO。应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。
应用进程预先向内核注册一个信号处理函数，然后用户进程返回，并且不阻塞，当内核数据准备就绪时会发送一个信号给进程，用户进程便在信号处理函数中开始把数据拷贝的用户空间中。这种方式钓鱼，和前几种相比，所使用的工具有了一些变化，需要有一些定制（实现复杂）。但是钓鱼的人就可以在鱼儿咬钩之前彻底做别的事儿去了。等着报警器响就行了。 - I/O复用
我们钓鱼的时候，为了保证可以最短的时间钓到最多的鱼，我们同一时间摆放多个鱼竿，同时钓鱼。然后哪个鱼竿有鱼儿咬钩了，我们就把哪个鱼竿上面的鱼钓起来。
映射到Linux操作系统中，这就是IO复用模型。多个进程的IO可以注册到同一个管道上，这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后，进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。
IO多路转接是多了一个select函数，多个进程的IO可以注册到同一个select上，当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有被监听的IO需要的数据都没有准备好时，select调用进程会阻塞。当任意一个IO所需的数据准备好之后，select调用就会返回，然后进程在通过recvfrom来进行数据拷贝。这里的IO复用模型，并没有向内核注册信号处理函数，所以，他并不是非阻塞的。进程在发出select后，要等到select监听的所有IO操作中至少有一个需要的数据准备好，才会有返回，并且也需要再次发送请求去进行文件的拷贝。这种方式的钓鱼，通过增加鱼竿的方式，可以有效的提升效率。
Ps：其实IO复用和阻塞IO很像，只不过是高效率版本的阻塞IO几种IO多路复用模型
| select | poll | epoll | |
|---|---|---|---|
| 操作方式 | 遍历 | 遍历 | 回调 |
| 底层实现 | 数组 | 链表 | 哈希表 |
| IO效率 | 线性遍历O(n) | 线性遍历O(n) | 事件通知方式，每当fd准备就绪，系统注册的回调函数会被调用O(1) |
| 最大连接数 | 1024(x86) 2048(x64) | 无上限 | 无上限 |
| fd拷贝 | 每次调用select都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态 | 每次调用poll都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态 | 调用epoll_ct时拷贝进内核并保存，之后每次epoll_wait不拷贝 |
信号驱动I/O
我们钓鱼的时候，为了避免自己一遍一遍的去查看鱼竿，我们可以给鱼竿安装一个报警器。当有鱼儿咬钩的时候立刻报警。然后我们在收到报警后，去把鱼钓起来。
映射到Linux操作系统中，这就是信号驱动IO。应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数（此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的）；当数据准备就绪后，为该进程生成一个SIGIO信号，通知应用程序调用recvfrom读取数据（此时仍然需要进程自身去调用recvfrom）
- 异步I/O
我们钓鱼的时候，采用一种高科技钓鱼竿，即全自动钓鱼竿。可以自动感应鱼上钩，自动收竿，更厉害的可以自动把鱼放进鱼篓里。然后，通知我们鱼已经钓到了，他就继续去钓下一条鱼去了。
映射到Linux操作系统中，这就是异步IO模型。应用进程把IO请求传给内核后，完全由内核去操作文件拷贝。内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次IO已经完成。
告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们（包括将数据从内核复制到用户空间）
Ps异步I/O模型由内核通知我们I/O操作何时已经完成。而信号驱动I/O由内核告诉我们合适可以在进程内执行一个I/O操作
同步VS异步
数据从内核到用户空间的复制是否需要当前进程参与，换句话讲read的逻辑代码是否在当前进程执行~
阻塞VS非阻塞
等待数据阶段是否是阻塞的（只盯着鱼竿看），这么看的话多路复用也是阻塞的
JAVA中常用的三种IO
可以把JAVA中的IO看作是堆操作系统的各种IO模型的封装。
比如 linux JAVA中的NIO和AIO都是基于epoll实现的，在Windows上是基于IOCP实现的，这对程序员来讲是透明的。
BIO（阻塞IO）
同步阻塞：数据从内核到用户空间的复制在进程内且调用recvfrom后需要等待
传统的服务器使用的就是BIO，每当客户端过来一个请求便开启一个新的线程，这种方式最大的问题就是过度依赖于线程。而线程是相对昂贵的资源
- 线程本身占用较大的内存，如果成千上万个请求发送到服务端，此时JVM的内存会被占用很多
- 线程切换的成本很高，甚至比线程本身的业务逻辑花的时间还要多
- 线程创建和销毁成本也相对较高
客户端个数/IO线程数 = 1:1
NIO（非阻塞IO）
同步非阻塞：数据从内核到用户空间的复制在进程内且调用recvfrom后无需等待
nginx使用的就是NIO用来接收数以千万计的客户端请求，之后再分发到不同的服务端
tomcat容器之前采用bio，现在已经改为nio
客户端个数/IO线程数 = M:1
AIO（异步IO）
异步非阻塞：数据从内核到用户空间的复制不在进程内且当前进程根本无须调用recvfrom也就无须等待
客户端个数/IO线程数 = M:0