IO模型

在了解IO模型前，需要先知道部分操作系统的概念。

内存空间 & 用户空间

应用程序需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘读写。此类操作有较大风险，只能交给操作系统来控制。因此，操作系统将进程占用的内存空间划分为两部分：用户空间和内核空间。内核空间是操作系统内核访问的、受保护的内存空间，用户空间则是用户应用程序访问的内存区域。

用户态 & 内核态 & CPU切换

如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成，也就是 CPU 要进行用户态和内核态的切换。

• 进程运行于内核空间，称为进程的内核态
• 进程运行于用户空间，称为进程的用户态

进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。系统调用的过程，会发生CPU上下文的切换。CPU上下文切换就是先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

虚拟内存

现代操作系统使用虚拟内存，即虚拟地址取代物理地址，使用虚拟内存可以有2个好处：

• 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
• 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址

正是多个虚拟内存可以指向同一个物理地址，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样的话，就可以减少IO的数据拷贝次数。

虚拟内存

DMA

DMA，英文全称是Direct Memory Access，即直接内存访问。DMA 本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，不需要CPU参与。

DMA 的工作流程为：

• 用户应用进程调用read函数，向操作系统发起 IO 调用，进入阻塞状态，等待数据返回；
• CPU 收到指令后，对 DMA 控制器发起指令调度；
• DMA 收到 IO 请求后，将请求发送给磁盘；
• 磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知 DMA；
• DMA 将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区；
• DMA 向 CPU 发出数据读完的信号，把工作交换给 CPU，由 CPU 负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区；
• 用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态。

DMA 的主要作用就是将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，这期间不需要占用 CPU 资源。

有了以上概念，下面就可以进一步了解 IO模型了。

同步阻塞IO（BIO）

BIO 为同步阻塞 IO，blocking queue 的简写，也就是说多线程情况下只有一个线程操作内核的 queue，当前线程操作完 queue后，才能给下一个线程操作。在 BIO 下，一个连接就对应一个线程，如果连接特别多的情况下，就会有特别多的线程，很费资源。

同步非阻塞IO（NIO）

Non-blocking IO的简写，同步非阻塞IO，内核发生了变化，应用程序访问内核的缓冲区时不会阻塞，但是返回值需要用户自己判断；如果连接数特别多的情况下，就需要应用程序不停遍历，一个个进行状态的判断，询问是否有数据到达。当线程未读取到任何数据，线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。

BIO流程示例图

IO多路复用

操作系统提供了一类函数(select、poll、epoll等)，它们可以同时监控多个fd（文件描述符）。当任何一个 fd 返回内核数据就绪，应用进程再发起 recvfrom 系统调用去读取数据。这也是IO多路复用的核心思路。

select

IO多路复用-select流程图

但是使用select方式有明显缺点：

• 监听的IO最大连接数有限，在Linux系统上一般为1024；
• select 函数返回后，是通过遍历fdset，找到就绪的描述符fd。(仅知道有I/O事件发生，却不知是哪几个流，所以遍历所有流)

pool

因为 select 方式存在连接数限制，所以后来又提出了 poll。与 select 相比，poll 解决了连接数限制问题。但是，select 和 poll 一样，还是需要通过遍历文件描述符来获取已经就绪的 socket。如果同时连接的大量客户端，在一时刻可能只有极少处于就绪状态，伴随着监视的描述符数量的增长，效率也会线性下降。因此经典的多路复用模型 epoll 诞生。

epoll

为了解决 select/poll 存在的问题，多路复用模型 epoll 诞生。它采用事件驱动来实现，epoll 先通过 epoll_ctl() 来注册一个 fd，一旦基于某个 fd 就绪时，内核会采用回调机制，迅速激活这个 fd，当进程调用 epoll_wait() 时便得到通知。这里去掉遍历文件描述符的操作，而是采用监听事件回调的机制。

IO多路复用-epoll

事件驱动模型

信号驱动IO不再用主动询问的方式去确认数据是否就绪，而是向内核发送一个信号(调用 sigaction 的时候建立一个 SIGIO 的信号)，然后应用用户进程可以去做别的事，不用阻塞。当内核数据准备好后，再通过 SIGIO 信号通知应用进程，数据准备好后的可读状态。应用用户进程收到信号之后，立即调用recvfrom，去读取数据。

事件驱动流程图

信号驱动IO模型，在应用进程发出信号后，是立即返回的，不会阻塞进程。但是当数据复制到应用缓冲的时候，应用进程还是阻塞的。回过头来看下，不管是BIO，还是NIO，还是信号驱动，在数据从内核复制到应用缓冲的时候，都是阻塞的。基于这点，Java7 引入了AIO。

异步非阻塞IO（AIO）

AIO 主要是用来解决数据复制阶段的阻塞问题。在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式，由另外的线程来获得结果。

AIO流程