【Java 五种IO模型】

在学习五种IO模型之前，我们要先清楚以下概念：

阻塞：
当某个事件或者任务在执行过程中，它发出一个请求操作，但是由于该请求操作需要的条件不满足，那么就会一直在那等待，直至条件满足。
非阻塞：
当某个事件或者任务在执行过程中，它发出一个请求操作，如果该请求操作需要的条件不满足，会立即返回一个标志信息告知条件不满足，不会一直在那等待。
同步：
如果有多个任务或者事件要发生（主要指 IO 事件），这些任务或者事件必须逐个地进行并且必须应用程序参与，一个事件或者任务的执行会导致整个流程的暂时等待，这些事件没有办法并发地执行。
异步：
如果有多个任务或者事件发生（主要指 IO 事件），都交给操作系统执行我们就可以去做别的事情并不需要真正的完成 IO 操作，当操作完成之后给我们的应用程序一个通知就可以。
网络种数据传输与内核之间的关系：
消息由发送方产生，从发送方的用户空间传入内核空间借助网络传输介质完成传输，消息会发送到接收方的内核空间，接收方如果要想读取时需要将消息从内核空间拷贝到用户空间。

在这里插入图片描述
上面的概念如果都清楚了，ok，开始正式内容

模型特点：
在Linux中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到程序的缓冲区。通常包括两个不同的阶段：

等待数据准备好，到达内核缓冲区
从内核向进程复制数据。对于套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区

上面的话太官方了，上栗子：

模型特点：

与阻塞式I/O不同的是，非阻塞的recvfrom系统调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没有处理好，此时返回一个error。进程在返回之后，可以处理其它的业务，过会儿再发起recvform系统调用。采用轮询的方式检查内核数据，直到数据准备好。再拷贝数据到进程，进程数据处理。在linux下，可以通过设置socket套接字选项使其变为非阻塞

栗子：

又是一个夜黑风高的夜晚，小明又出来看演唱会了，可惜票卖完了，小明走了，办理别的事情去了，过了两个小时，小明又去卖票厅，如果票还没出来，小明又去办别的事情，重复上面事情，直到买到票
图示：

模型特点：

IO多路复用的好处就在于单个进程可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就不再是由用用程序自己监视链接，取而代之由内核代替应用程序监视文件描述符。以：select为例，当用户进程调用了select，那么整个进程就会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这时候用户进程在调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程

栗子：

小明想去演唱会，买票时候直接打电话给黄牛（selector/epoll），说帮我留意买票，有票通知我，我自己去取（当我接收到黄牛的电话，我需要花费整个路程时间去读这个数据，拿这个票），那么票没出来之前，小明完全做自己的事
图示：
IO多路转接是多了一个select函数，select函数有一个参数是文件描述符集合，对这些文件描述符进行循环监听，当某个文件描述符就绪时，就对这个文件描述符进行处理。
其中，select只负责等，recvfrom只负责拷贝。
IO多路转接是属于阻塞IO，但可以对多个文件描述符进行阻塞监听，所以效率较阻塞IO的高

模型特点：

允许Socket进行信号驱动IO，并注册一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数调用I/O操作函数处理数据

栗子：

小明想去看演唱会，给举办商说：给你留个电话，有票给我提前打电话通知（是看人家操作系统提不提供这种功能，linux提供，windows没有这种机制），我自己再来买票（小明完全可以做自己事情，但是票还是需要小明去拿）
图示：
信号驱动IO模型，应用进程告诉内核：当数据报准备好的时候，给我发送一个信号，对SIGIO信号进行捕捉，并且调用我的信号处理函数来获取数据报

模型特点：

上述四个模型都是同步的。相对于同步来说，异IO不是顺序执行的。用户进程执行aio_read系统调用之后，就可以处理其他事情了，无论内核数据是否准备好了，都会直接返回给用户进程，不会对进程造成阻塞。等数据准备好了，内核直接复制数据到进程空间，然后从内核向进程发送通知，此时数据已经在用户空间了，可以对数据处理

栗子：

小明想买票去看演唱会，给举办商打电话（异步非阻塞i/o），给你留个地址，有票了请通知快递员给我送到，当小明听到敲门声，看见快递员，就知道票到了，而且直到票到了的时候，票已经到手了，不用自己去取（不用自己去read数据了）
图示：
当应用程序调用aio_read时，内核一方面去取数据报内容返回，另一方面将程序控制权还给应用进程，应用进程继续处理其他事情，是一种非阻塞的状态
当内核中有数据报就绪时，由内核将数据报拷贝到应用程序中，返回aio_read中定义好的函数处理程序

总结： 可以看出，阻塞程度：阻塞IO>非阻塞IO>多路转接IO>信号驱动IO>异步IO，效率是由低到高的

想了解更多，请看：大白话五种IO模型