一、基本概念

五種IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路復用、信號驅動IO、異步IO。

首先需要了解下系統調用的幾個函數和基本概念。

1.1 簡單介紹幾個系統調用函數

由于我對于C語言不熟悉，幾個系統函數參考了一些文章，如果錯誤歡迎指出!

recvfrom

Linux系統提供給用戶用于接收網絡IO的系統接口。從套接字上接收一個消息，可同時應用于面向連接和無連接的套接字。

如果此系統調用返回值<0，并且 errno為EWOULDBLOCK或EAGAIN(套接字已標記為非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超時 )時，連接正常，阻塞**接收數據(這很關鍵，前4種IO模型都設計此系統調用)。

select

select系統調用允許程序同時在多個底層文件描述符上，等待輸入的到達或輸出的完成。以數組形式存儲文件描述符，64位機器默認2048個。當有數據準備好時，無法感知具體是哪個流OK了，所以需要一個一個的遍歷，函數的時間復雜度為O(n)。

poll

以鏈表形式存儲文件描述符，沒有長度限制。本質與select相同，函數的時間復雜度也為O(n)。

epoll

是基于事件驅動的，如果某個流準備好了，會以事件通知，知道具體是哪個流，因此不需要遍歷，函數的時間復雜度為O(1)。

sigaction

用于設置對信號的處理方式，也可檢驗對某信號的預設處理方式。Linux使用SIGIO信號來實現IO異步通知機制。

1.2 同步&異步

同步和異步是針對應用程序和內核交互而言的，也可理解為被被調用者(操作系統)的角度來說。

同步是用戶進程觸發IO操作并等待或輪詢的去查看是否就緒，而異步是指用戶進程觸發IO操作以后便開始做自己的事情，而當IO操作已經完成的時候會得到IO完成的通知，需要CPU支持

1.3 阻塞&非阻塞

阻塞和非阻塞是針對于進程在訪問數據的時候，也可理解為調用者(程序)角度來說。根據IO操作的就緒狀態來采取的不同的方式。

阻塞方式下讀取或寫入方法將一直等待，而非阻塞方式下讀取或寫入方法會立即返回一個狀態值。

下午擼代碼餓了，好久沒吃KFC了，決定去整個全家桶 ，這一切都要從一個全家桶說起~

我跑去肯德基買全家桶，但是很不巧，輪到我時，全家桶賣完了，我只能等著新做一份 …

二、阻塞IO模型

學習過操作系統的知識后，可以知道：不管是網絡IO還是磁盤IO，對于讀操作而言，都是等到網絡的某個數據分組到達后/數據準備好后，將數據拷貝到內核空間的緩沖區中，再從內核空間拷貝到用戶空間的緩沖區。

此時我已饑渴難耐，全程盯著后廚，等待著一分一秒(別多想 )，終于全家桶做好了，在此期間雖然什么事也沒干，但是最后能吃到全家桶，我很幸福。

此處需要一個清新的腦回路，我就是程序，我想要全家桶，于是發起了系統調用，而后廚加工的過程就是在做數據準備和拷貝工作。全家桶最終到手，數據終于從內核空間拷貝到了用戶空間。

簡單看下執行流程：

接下來發揮看圖說話的專長了：阻塞IO的執行過程是進程進行系統調用，等待內核將數據準備好并復制到用戶態緩沖區后，進程放棄使用CPU并一直阻塞在此，直到數據準備好。

三、非阻塞IO模型

此時我每隔5分鐘詢問全家桶好了沒，在數次盤問后，終于出爐了。在每一次盤問之前，對于程序來說是非阻塞的，占用CPU資源，可以做其他事情。

每次應用程序詢問內核是否有數據準備好。如果就緒，就進行拷貝操作;如果未就緒，就不阻塞程序，內核直接返回未就緒的返回值，等待用戶程序下一個輪詢。

大致經歷兩個階段：

等待數據階段：未阻塞， 用戶進程需要盲等，不停的去輪詢內核。

數據復制階段：阻塞，此時進行數據復制。

在這兩個階段中，用戶進程只有在數據復制階段被阻塞了，而等待數據階段沒有阻塞，但是用戶進程需要盲等，不停地輪詢內核，看數據是否準備好。

四、IO多路復用模型

排了很長的隊，終于輪到我支付后，拿到了一張小票，上面有號次。當全家桶出爐后，會喊相應的號次來取。KFC營業員小姐姐打小票出號次的動作相當于操作系統多開了個線程，專門接收客戶端的連接。我只關注叫到的是不是我的號，因此程序還需在服務端注冊我想監聽的事件類型。

多路復用一般都是用于網絡IO，服務端與多個客戶端的建立連接。下面是神奇的多路復用執行過程：

相比于阻塞IO模型，多路復用只是多了一個select/poll/epoll函數。select函數會不斷地輪詢自己所負責的文件描述符/套接字的到達狀態，當某個套接字就緒時，就對這個套接字進行處理。select負責輪詢等待，recvfrom負責拷貝。當用戶進程調用該select，select會監聽所有注冊好的IO，如果所有IO都沒注冊好，調用進程就阻塞。

對于客戶端來說，一般感受不到阻塞，因為請求來了，可以用放到線程池里執行;但對于執行select的操作系統而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某個套接字變為可讀。

IO多路復用其實是阻塞在select，poll，epoll這類系統調用上的，復用的是執行select，poll，epoll的線程。

五、信號驅動IO模型

跑KFC嫌麻煩，剛好有個會員，直接點份外賣，美滋滋。當外賣送達時，會收到取餐電話(信號)。在收到取餐電話之前，我可以愉快地吃雞或者學習。

當數據報準備好的時候，內核會向應用程序發送一個信號，進程對信號進行捕捉，并且調用信號處理函數來獲取數據報。

該模型也分為兩個階段：

數據準備階段：未阻塞，當數據準備完成之后，會主動的通知用戶進程數據已經準備完成，對用戶進程做一個回調。

數據拷貝階段：阻塞用戶進程，等待數據拷貝。

六、異步IO模型此時科技的發展已經超乎想象了，外賣機器人將全家桶自動送達并轉換成營養快速注入我的體內，同時還能得到口感的滿足。注入結束后，機器人會提醒我注入完畢。在這個期間我可以放心大膽的玩，甚至注射的時候也不需要停下來!

類比一下，就是用戶進程發起系統調用后，立刻就可以開始去做其他的事情，然后直到I/O數據準備好并復制完成后，內核會給用戶進程發送通知，告訴用戶進程操作已經完成了。

特點：

異步I/O執行的兩個階段都不會阻塞讀寫操作，由內核完成。

完成后內核將數據放到指定的緩沖區，通知應用程序來取。

七、Java中的BIO，NIO，AIO操作系統的IO模型是底層基石，Java對于IO的操作其實就是進一步的封裝。適配一些系統調用方法，讓我們玩地更爽。

BIO，NIO，AIO涉及相關實操代碼已收錄至我的github，歡迎star~

7.1 BIO--同步阻塞的編程方式

JDK1.4之前常用的編程方式。

實現過程：

首先在服務端啟動一個ServerSocket來監聽網絡請求，客戶端啟動Socket發起網絡請求，默認情況下ServerSocket會建立一個線程來處理此請求，如果服務端沒有線程可用，客戶端則會阻塞等待或遭到拒絕，并發效率比較低。

服務器實現的模式是一個連接一個線程，若有客戶端有連接請求服務端就需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷。當然，也可以通過線程池機制改善。

使用場景：

BIO適用于連接數目比較小且固定的架構，對服務器資源要求高，并發局限于應用中。

7.2 NIO--同步非阻塞的編程方式

7.2.1 NIO簡介

NIO 本身是基于事件驅動思想來完成的，當 socket 有流可讀或可寫入時，操作系統會相應地通知應用程序進行處理，應用再將流讀取到緩沖區或寫入操作系統。一個有效的請求對應一個線程，當連接沒有數據時，是沒有工作線程來處理的。

服務器實現模式為一個請求一個通道，即客戶端發送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有 I/O 請求時才啟動一個線程進行處

使用場景：

NIO 方式適用于連接數目多且連接比較短(輕操作)的架構，比如聊天服務器，并發局限于應用中，編程復雜，JDK1.4 開始支持。

7.2.2 NIO中的幾種重要角色

有緩沖區Buffer，通道Channel，多路復用器Selector。

7.2.2.1 Buffer

在NIO庫中，所有數據都是用緩沖區(用戶空間緩沖區)處理的。在讀取數據時，它是直接讀到緩沖區中的;在寫入數據時，也是寫入到緩沖區中。任何時候訪問NIO中的數據，都是通過緩沖區進行操作。

緩沖區實際上是一個數組，并提供了對數據的結構化訪問以及維護讀寫位置等信息。

Buffer的應用固定邏輯

相關的代碼我會更新至github~

寫操作順序

clear()

put() -> 寫操作

flip() ->重置游標

SocketChannel.write(buffer); ->將緩存數據發送到網絡的另一端

clear()

讀操作順序

clear()

SocketChannel.read(buffer); ->從網絡中讀取數據

buffer.flip()

buffer.get() ->讀取數據

buffer.clear()

7.2.2.2 Channel

nio中對數據的讀取和寫入要通過Channel，它就像水管一樣，是一個通道。通道不同于流的地方就是通道是雙向的，可以用于讀、寫和同時讀寫操作。

7.2.2.3 Selector

多路復用器，用于注冊通道。客戶端發送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求時才啟動一個線程進行處理

7.3 AIO--異步非阻塞編程方式

進行讀寫操作時，只須直接調用api的read或write方法即可。一個有效請求對應一個線程，客戶端的IO請求都是OS先完成了再通知服務器應用去啟動線程進行處理。

使用場景

AIO方式使用于連接數目多且連接比較長(重操作)的架構，比如相冊服務器，充分調用OS參與并發操作，編程比較復雜，JDK1.7開始支持。

八、總結從效率上來說，可以簡單理解為阻塞IO<非阻塞IO<多路復用IO<信號驅動IO<異步IO。從同步和異步來說，只有異步IO模型是異步的，其他均為同步。

原文標題：一口氣說出5種IO模型的

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審核編輯：湯梓紅