注：该文章所用图片来自《netty、zk、redis高并发实战》一书。

一、IO读写底层原理

在详细了解IO模型之前，首先要先说明IO读写的原理。
我们的JAVA程序进行IO的读写时，是依赖底层的IO读写的，也就是要与操作系统底层做交互。读写并不是发送read/write指令就直接把数据从物理设备读到内存里。我们程序的IO操作，其实并非物理设备的读写，而是缓存的读写。
我们的程序有进程缓冲区，底层有内核缓冲区，在进行一次read时，我们会经历以下阶段：
1、linux通过网卡读取客户端的请求数据，等待数据准备好，复制到内核缓冲区
2、java系统进行read系统调用，把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区

在进行一次write时，会经历以下阶段：
1、java程序通过write调用，把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区
2、linux内核通过网络IO，把数据写入网卡，网卡通过底层的数据协议，再发给目标客户端。

二、阻塞/非阻塞，同步/异步

1、什么是阻塞/非阻塞

阻塞：内核IO彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的操作。在java中，默认创建的socket都是阻塞的。
非阻塞：用户空间的程序不需要等待内核IO操作完成，内核会立刻返回给用户一个状态值（成功还是失败），用户可以根据结果执行用户的操作。

打个比方，其实就是你在烧水的时候，用不用站在水壶旁边等水开。阻塞就是烧水的时候就专心等水开，非阻塞在你烧水的时候，你还能去扫个地。

2、什么是同步/异步

同步：由用户线程向内核主动发起IO请求。
异步：用户空间与内核空间的调用反过来，用户空间的线程变成被调用方，类似回调模式，用户向操作系统内核注册IO事件的回调函数，然后由内核来主动调用。

打个比方，烧水的时候，是水壶发出叫声告诉你他开了，还是你自己隔一段时间去看他开没开。比如异步非阻塞就是你在烧水的时候扫地，然后那边水壶叫了，表示水开了，那么就是烧水这个行为完成了。
同步非阻塞就是你在烧水的时候扫地，然后你自己隔一段时间看一下水开没开。

其实真实的IO操作比上述描述复杂很多，因为涉及到了内核数据是否准备完成，因为在内核数据没准备好的时候，如果用户线程发出一个读请求，那么会直接返回失败，然后用户线程要不停地进行IO系统读调用，轮询是不是准备好了数据。如果准备好了，那么接下来从内核缓冲区复制到用户缓冲区，最后到内核返回结果的操作都是阻塞的操作，只有用户线程读到数据才会解除阻塞状态）总结一下就是在内核等待数据的时候可以立刻返回。

三、四种IO模型详解

1、同步阻塞IO（BIO）

在java程序里，默认的socket连接的IO操作都是BIO，在阻塞模型中，用户从IO调用开始到返回，全都是阻塞的。

如上图，从java开始read调用开始，就进入了阻塞，系统内核收到了read调用，就开始准备数据，如果数据没准备好，内核就会开始阻塞式的等待，当完整的数据到达后，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，复制完成后，内核返回结果，用户线程收到结果，才会解除堵塞状态。

这种阻塞式的IO,开发和理解都非常简单，在阻塞期间，用户线程会挂起，不会占用CPU资源。
但是，一般来说，一个连接会用一个线程来维护，如果并发量小，可以选用这种模式，但是高并发时，线程的创建、销毁、切换都会占用很大的资源，多个连接对网络资源的消耗也是巨大的。

2、同步非阻塞IO（NIO）

在linux系统，可以设置socket为非阻塞模式，在这种模式下，应用程序进行一次IO调用，如果内核没有数据，会立刻返回一个调用失败的信息（而不是BIO那样等待内核数据复制），如果内核数据有数据，那么数据从内核缓存复制到用户缓存，复制完成，会返回成功，而这个过程是阻塞的。

如上图，内核没有准备好数据会立刻返回，所以用户进程要不断地发起IO系统调用，当内核数据到达后，用户线程发起read系统调用，开始阻塞，数据会从内核缓存区复制到用户缓冲区，然后返回结果。

用户需要不断地进行IO系统调用，以轮询数据是不是准备完成，在内核等待数据的过程中不会阻塞了，可以立刻返回。但是不断地轮询也会消耗CPU。一般不会使用，而是使用基于NIO模型改进的IO多路复用模型。

3、IO多路复用模型

前面说到NIO模型中需要不断地轮询等待，消耗CPU资源，这时就出现了IO多路复用模型。

IO多路复用模型，用到了操作系统底层的select/epoll等系统调用，这种系统调用让一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪了（也就是内核缓冲区可读或者可写了），就会将这种就绪的状态返回给用户进程。

在这种模式下，我们首先将要监视的socket连接，提前注册到select/epoll，然后开始对就绪状态的轮询，java的选择器类是Selector，阻塞方法是Selector.select查询方法。我们可以通过这个阻塞方法，获取到注册过的socket连接的就绪状态列表。当我们获取到这个列表后，根据其中的socket连接发起read/write系统调用，然后用户线程阻塞，将数据从缓冲区复制到缓冲区，复制完成后，解除阻塞。

其实IO多路复用模型也需要轮询，但是只用一个专门负责select/epoll状态查询调用的线程来轮询。对于每个注册在选择器上的socket连接，用的都是NIO模型。

所以IO多路复用模型比NIO模型先进在，一个选择器查询线程可以处理成千上万个连接，不用维护大量线程了。
但是，内核数据准备完成之后，进行的读写操作还是阻塞的，如果要彻底解决这点，就只能用异步非阻塞模型了。
java的nio用的就是这个模型。

4、异步非阻塞IO（AIO）

用户线程通过系统调用，向内核注册IO操作，内核在IO操作完成后，通知用户程序，这就是AIO。AIO从物理设备复制到内核缓冲区，到内核缓冲区复制到用户缓冲区都是非阻塞的。

这种模型吞吐量比IO复用好很多，但是需要操作系统底层的支持，linux现在底层的AIO模型仍然使用的是epoll，性能上并没有很大提升。所以现在一般还是使用IO多路复用模型。