I/O分类
I/O分为内存I/O，网络I/O和磁盘I/O三种，通常我们说的I/O是后两者。
I/O简介
一个输入操作分为两个阶段：
等待数据就绪
数据从内核空间复制到用户空间
I/O模型阻塞还是非阻塞，同步还是异步，将会围绕上面两个阶段来进行讨论。
I/O模型分为五种IO模型，分别为阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、多路复用I/O模型、信号驱动I/O模型和异步I/O模型。前四种被称为同步I/O，下面对每种I/O模型进行详细分析。
阻塞I/O模型
阻塞I/O模型的通信过程如下图所示：
阻塞I/O模型的通信过程图
当应用程序调用了recvfrom这个系统调用，对于网络I/O来说，很多时候数据在一开始还没有到来，这时内核进入了第一阶段：等待数据就绪，应用程序就一直被阻塞。直到数据到来，并且数据从内核拷贝到用户空间，应用程序才被解除阻塞状态。
Java中accept和read方法分别对应着accept和recvfrom系统调用，这两个方法都是阻塞的，此次出现了三个版本的演进：单线程版-》多线程版-》线程池版
对比 | 概念 | 优点 | 痛点 |
单线程版 | 主线程同时处理接收socket连接和数据读取操作 | 单个线程，开发难度低 | 数据未到达时，read方法一直阻塞主线程，影响新socket连接进入 |
多线程版 | 主线程只处理接收socket连接，一直创建新线程处理数据读取操作 | 多线程，新socket连接可以进入 | 线程数过多，非常消耗内存；频繁上下文切换，浪费cpu资源 |
线程池版 | 主线程只处理接收socket连接，避免过多线程，将由线程池来处理数据读取操作 | 有限线程数 | 由于阻塞原因，在高并发环境，同样还是会影响新socket连接进入 |
阻塞I/O模型总结：
特点 | I/O两阶段都是阻塞的（顺序模式） |
优点 | 进程阻塞过程中，不消耗cpu；开发难度低；适合并发小的应用 |
痛点 | 不适合高并发场景；由于阻塞，需要为每个请求分配一个线程来处理 |
非阻塞I/O模型
非阻塞I/O模型的通信过程如下图所示：
非阻塞I/O模型的通信图
应用程序一直轮询调用recvfrom系统调用问内核有没有数据，没有数据返回error，不再阻塞。反之，应用程序也需要调用recvfrom，才能把数据从内核拷贝到用户空间。
非阻塞I/O模型总结：
特点 | 应用程序需要不断地主动询问内核数据是否就绪（轮询模式） |
优点 | 不再阻塞，单个或有限个线程可以进行新连接接收和数据读取操作 |
痛点 | 一直轮询重复调用，浪费cpu资源。比如：遍历1W个连接只有1个连接有数据待处理，其余的9999调用就是无效调用 |
多路复用I/O模型
多路复用I/O模型的通信过程如下图所示：
多路复用I/O模型的通信图
多个连接I/O注册到一个复用器（Selector）上提交给内核，内核帮忙监听I/O是否有数据到达，此时应用程序一直阻塞等待。当数据到达后，应用程序调用recvfrom将内核数据拷贝到用户空间。
I/O多路复用分为select，poll和epoll三种机制。
select和poll差不多，每次都将全量I/O注册到内核进行监听，当任意一个IO数据就绪时立刻返回，应用程序需遍历全量IO才能知道哪个IO就绪。参考：
https://man7.org/linux/man-pages/man2/poll.2.html#EXAMPLES
epoll是每次增量IO注册到内核，数据就绪时，只返回就绪IO。
三种机制对比：
对比项 | select | poll | epoll |
kernel版本 | version<2.4 | 2.4<=version<2.6 | version>=2.6 |
数据结构 | bitmap | 数组 | 红黑树 |
最大连接数 | 1024 | 无上限 | 无上限 |
fd拷贝 | 每次调用select拷贝 | 每次调用poll拷贝 | fd首次调用epoll_ctl拷贝，每次调用epoll_wait不拷贝 |
工作效率 | 轮询：O(n) | 轮询：O(n) | 回调：O(1) |
多路复用I/O模型总结：
特点 | 应用程序全量/增量将IO注册到内核，内核监听数据是否就绪（长连接模式） |
优点 | 相对非阻塞I/O模型，释放了CPU。 适合高并发的场景 |
痛点 | 需要一个线程阻塞等待数据就绪 |
信号驱动I/O模型
信号驱动I/O模型的通信过程如下图所示：
信号驱动I/O模型的通信图
应用程序向内核注册个信号处理函数，不用在阻塞等待，可以干别的事情了，当数据就绪时，内核发送信号到信号处理函数。应用程序可以在信号处理函数中调用recvfrom将拷贝到用户空间。
信号驱动I/O模型总结：
特点 | 应用程序不在阻塞，内核回调注册信号处理函数（函数回调模式） |
优点 | 数据就绪阶段不用阻塞等待 |
痛点 | 未能异步IO |
异步I/O模型
异步I/O模型的通信过程如下图所示：
异步I/O模型的通信图
应用程序发起aio_read操作后，给内核传递与read相同的描述符、缓冲区指针、缓冲区大小三个参数及文件偏移，当内核操作完成后，数据已经拷贝到用户空间了，应用程序拿到数据可直接处理了。linux系统AIO底层实现仍是用epoll，没有很好地实现AIO，在性能上没有明显优势，这也是Netty使用NIO而不是AIO的原因之一。
总结：
同步I/O：阻塞I/O模型、非阻塞I/O模型、多路复用I/O模型、信号驱动IO模型
异步I/O：异步IO模型
个人见解：
阻塞I/O模型--》顺序模式
非阻塞I/O模型--》轮询模式
多路复用I/O模型--》长连接模式
信号驱动IO模型--》函数回调模式
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