四种常见网络IO模型
网络IO模型一共有五种，同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO和异步IO。其中信号驱动IO并不常用，我们只要介绍其他四种。
首先我们需要了解一下网络IO的基本原理和一些基本的概念。
IO读写的基本原理
用户程序进行IO操作，依赖于底层的IO实现，主要是底层的read&write两大系统调用。read系统调用，并不直接从物理设备把数据读取到内存中，而是将数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；write系统调用，也不是直接把数据写入到物理设备中，而是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。
这也就是说，上层程序的IO操作，实际上不是物理设备的级别的读写，而是缓存的复制。
在Linux系统中，操作系统内核只有一个内核缓冲区。而每个用户程序（进程）都有自己独立的缓冲区，叫做进程缓冲区吧。用户程序的IO操作，大部分情况下，并没有进行实际的IO操作，而是进程缓冲区和内核缓冲区之间直接进行数据交换。如下图所示：
以read系统调用为例，一个完整的输入流程分为两个阶段：
- 等待数据准备好。
- 从内核想进程复制数据。
具体一点，如果是在Java服务器端，完成一个Socket请求和详情，完整的流程如下：
- 客户端请求：Linux通过网卡读取客户端请求数据，将数据读到内核缓冲区。
- 获取请求数据：Java服务器通过read系统调用，从linux内核缓冲区读取数据，在送入Java进程缓冲区。
- 服务端业务处理：Java服务器在自己的用户空间中处理客户端的请求。
- 服务端返回数据：Java服务器完成处理后，构建好响应数据，将这些数据从用户缓冲区写入内核缓冲区。这里用到write系统调用。
- 发送给客户端：Linux内核通过网络IO，将内核缓冲区中的数据写入网卡，网卡底层通信协议，会将数据发送给目标客户端。
四种主要的IO模型
在介绍IO模型前，我们需要明白几个概念。
阻塞和非阻塞：阻塞IO，指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回用户空间执行用户的操作。非阻塞IO指的是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间执行用户的操作，即处于非阻塞的状态，于此同时内核会立即返回给用户一个状态值。换句话说就是，阻塞就是用户空间（调用线程）死等内核IO，这期间什么都不干。非阻塞是用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态就直接返回自己的空间，IO操作可以干就干，不可以干就去干别的事情。
同步和异步： 同步和异步指的是用户空间和内核空间IO发起的方式。同步IO只是用户空间的线程是主动发起IO的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则是反过来，系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受方。
同步阻塞IO(Blocking IO)
在同步阻塞IO模型中，程序用IO调用开始，直到系统调用返回，在这段时间内，进程是阻塞的。直到返回成功后，应用程序开始处理用户空间的缓存区数据。
主要分为两个阶段：
- 等待数据就绪。网络IO就是等待远端数据陆续到达；磁盘IO就是等到磁盘数据从磁盘读取到内核缓冲区。
- 数据复制。用户空间的程序没有权限直接读取内核缓冲区的数据（操作系统处于安全的考虑），因此内核与需要把内核缓冲区的数据复制一份到进程缓冲区。
同步阻塞IO模型如下图所示：
阻塞IO的特点是：在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被阻塞了。
同步非阻塞IO(None Blocking IO)
将Socket设置为NONBLOCK，当前连接就变成了非阻塞IO。使用非阻塞模式的IO读写，叫做同步非阻塞IO（None Blocking IO），简称NIO模型（需要注意，这里的NIO和Java里面的NIO不是一个东西！）。
在同步非阻塞IO模型中，会出现下面几种情况：
- 在内核缓冲区没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。这样请求就不会阻塞。
- 用户线程需要不断的发起IO系统调用，测试内核数据是否准备好。
- 内核数据准备好以后，用户线程发起系统抵用，用户线程阻塞。内核开始将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，然后内核返回结果。直到这时，用户线程读到了数据，才会接触阻塞状态，重新运行起来。
同步非阻塞IO模型如下图所示：
同步非阻塞IO特点：程序需要不断的进行IO系统调用，轮询数据是否准备好，如果没有准备好，就继续轮询。
IO多路复用模型（IO Multiplexing）
在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用select/epoll，查询IO的就绪状态。通过该系统调用可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓存区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。
在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断轮询成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。
IO多路复用模型如下图所示：
IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型涉及两种系统调用，一种是就绪查询（select/epoll），一种是IO操作。
和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责就绪状态查询系统调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。
异步IO模型（Asynchronous IO）
异步IO模型（Asynchronous IO）简称AIO，其基本流程时：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作。内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，执行后续的业务操作。
在异步IO模型中，整个内核的数据处理过程中，包括内核将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓存区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区，用户程序都不需要阻塞。
异步IO模型如下图所示：
异步IO模型的特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。当内核的IO操作（等待数据和复制数据）全部完成后，内核会通知应用程序读数据。
四种IO模型的优缺点
同步阻塞IO
优点：程序开发简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，不占用CPU资源。
缺点：需要为每一个连接的IO配备一个线程，在高并发应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会十分巨大。
同步非阻塞IO
优点:每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。
缺点：需要不断的进行系统调用轮询，测试数据是否准备好，将占用大量的CPU时间，效率低下。
IO多路复用模型
优点：使用一个查询就绪状态的线程就可以同时同时轮询成千上万个连接。系统不必要创建和维护大量的线程，大大减小了系统的开销。
缺点：select/epoll调用都是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是这个读写过程时阻塞的。
异步IO
优点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。
缺点：需要操作系统底层内核提供支持。