概述

服务器端高并发IO编程，往往要求的性能都非常高，一般情况下都需要选用高性能的IO模型。

常见的IO模型虽然有五种，但是可以分成四大类：

1. 同步阻塞IO（Blocking IO）

首先，解释一下阻塞与非阻塞。阻塞IO，指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户程序的操作指令，阻塞一词所指的是用户程序（发起IO请求的进程或者线程）的执行状态是阻塞的。可以说传统的IO模型都是阻塞IO模型，并且在Java中，默认创建的socket都属于阻塞IO模型。

其次，解释一下同步与异步。简单理解，同步与异步可以看成是发起IO请求的两种方式。同步IO是指用户空间（进程或者线程）是主动发起IO请求的一方，系统内核是被动接受方。异步IO则反过来，系统内核主动发起IO请求的一方，用户空间是被动接受方。

所谓同步阻塞IO，指的是用户空间（或者线程）主动发起，需要等待内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间的IO操作，IO操作过程中，发起IO请求的用户进程（或者线程）处于阻塞状态。

2. 同步非阻塞NIO（Non-Blocking IO）

非阻塞IO，指的是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间去执行后续的指令，即发起IO请求的用户进程（或者线程）处于非阻塞的状态，与此同时，内核会立即返回给用户一个IO的状态值。

阻塞和非阻塞的区别是什么呢？

阻塞是指用户进程（或者线程）一直在等待，而不能干别的事情；非阻塞是指用户进程（或者线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，可以去干别的事情。在Java中，非阻塞IO的socket套接字，要求被设置为NONBLOCK模式。

所谓同步非阻塞NIO，指的是用户进程主动发起，不需要等待内核IO操作彻底完成之后，就能立即返回到用户空间的IO操作，IO操作过程中，发起IO请求的用户进程（或者线程）处于非阻塞状态。

3. IO多路复用（IO Multiplexing）

为了提高性能，操作系统引入了一类新的系统调用，专门用于查询IO文件描述符的（含 socket连接）的就绪状态。在Linux系统中，新的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个用户进程（或者线程）可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将文件描述符的就绪状态返回给用户进程（或者线程），用户空间可以根据文件描述符的就绪状态，进行相应的IO系统调用。

IO多路复用（IO Multiplexing）是高性能Reactor线程模型的基础IO模型，当然，此模型是建立在同步非阻塞的模型基础之上的升级版。

4. 信号驱动IO模型

在信号驱动IO模型中，用户线程通过向核心注册IO事件的回调函数，来避免IO时间查询的阻塞。具体来说，用户进程预先在内核中设置一个回调函数，当某个事件发生时，内核使用信号（SIGIO）通知进程运行回调函数。然后进入IO操作的第二个阶段——执行阶段：用户线程会继续执行，在信号回调函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

信号驱动IO可以看成是一种异步IO，可以简单理解为系统进行用户函数的回调。只是，信号驱动IO的异步特性做的不彻底。为什么呢？ 信号驱动IO仅仅在IO事件的通知阶段是异步的，而在第二阶段，也就是在将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区这个过程，用户进程是阻塞的、同步的。

5. 异步IO（Asynchronous IO）

异步IO，指的是用户空间与内核空间的调用方式大反转。用户空间的线程变成被动接受者，而内核空间成了主动调用者。在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。

异步IO类似于Java中典型的回调模式，用户进程（或者线程）向内核空间注册了各种IO事件的回调函数，由内核去主动调用。

异步IO包含两种：不完全异步的信号驱动IO模型和完全的异步IO模型。接下来，对以上的五种常见的IO模型进行一下详细的介绍。

同步阻塞IO（Blocking IO）

默认情况下，在Java应用程序进程中，所有对socket连接的进行的IO操作都是同步阻塞 IO（Blocking IO）。

在阻塞式IO模型中，Java应用程序从发起IO系统调用开始，一直到系统调用返回，在这段时间内，发起IO请求的Java进程（或者线程）是阻塞的。直到返回成功后，应用进程才能开始处理用户空间的缓存区数据。同步阻塞IO的具体流程，如图2-2所示。

举个例子，在Java中发起一个socket的sys_read读操作的系统调用，流程大致如下：

1. 从Java进行IO读后发起sys_read系统调用开始，用户线程（或者线程）就进入阻塞状态。
2. 当系统内核收到sys_read系统调用，就开始准备数据。一开始，数据可能还没有到达内核缓冲区（例如，还没有收到一个完整的socket数据包），这个时候内核就要等待。
3. 内核一直等到完整的数据到达，就会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到用户缓冲区中的字节数）。
4. 直到内核返回后，用户线程才会解除阻塞的状态，重新运行起来。

阻塞IO的特点是：在内核进行IO执行的两个阶段，发起IO请求的用户进程（或者线程）被阻塞了。

阻塞IO的优点是：应用的程序开发非常简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，用户线程基本不会占用CPU资源。

阻塞IO的缺点是：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程，一个线程维护一个连接的IO操作。在并发量小的情况下，这样做没有什么问题。但是，当在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。在高并发应用场景中，阻塞IO模型是性能很低的，基本上是不可用的。

同步非阻塞NIO（None Blocking IO）

在Linux系统下，socket连接默认是阻塞模式，可以通过设置将socket变成为非阻塞的模式（Non-Blocking）。在NIO模型中，应用程序一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：

（1）在内核缓冲区中没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。

（2）在内核缓冲区中有数据的情况下，在数据的复制过程中系统调用是阻塞的，直到完成数据从内核缓冲复制到用户缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，用户进程（或者线程）可以开始处理用户空间的缓存数据。

同步非阻塞IO的流程，如图2-3所示。

举个例子。发起一个非阻塞socket的sys_read读操作的系统调用，流程如下：

1. 在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。所以，为了读取到最终的数据，用户进程（或者线程）需要不断地发起IO系统调用。
2. 内核数据到达后，用户进程（或者线程）发起系统调用，用户进程（或者线程）阻塞（大家一定要注意，此处用户进程的阻塞状态）。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区，然后内核返回结果（例如返回复制到的用户缓冲区的字节数）。

3. 用户进程（或者线程）在读数据时，没有数据会立即返回而不阻塞，用户空间需要经过多次的尝试，才能保证最终真正读到数据，而后继续执行。

同步非阻塞IO的特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。

同步非阻塞IO的优点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

同步非阻塞IO的缺点：不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。总体来说，在高并发应用场景中，同步非阻塞IO是性能很低的，也是基本不可用的，

一般Web服务器都不使用这种IO模型。在Java的实际开发中，也不会涉及这种IO模型。但是此模型还是有价值的，其作用在于，其他IO模型中可以使用非阻塞IO模型作为基础，以实现其高性能。

同步非阻塞 IO 也可以简称为 NIO，但是，它不是 Java 编程中的 NIO，虽然它们的英文缩写一样，但是不能混淆。Java 的 NIO（New IO）类库组件，所归属的不是基础 IO 模型中的 NIO（None Blocking IO）模型，而是另外的一种模型，叫做 IO 多路复用模型（IO Multiplexing）。

IO多路复用模型（IO Multiplexing）

如何避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。

在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符（包括socket连接），一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。

目前支持IO多路复用的系统调用，有select、epoll等等。select系统调用，几乎在所有的操作系统上都有支持，具有良好的跨平台特性。epoll是在Linux 2.6内核中提出的，是select 系统调用的Linux增强版本。

在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的socket连接的就绪状态，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪状态，就返回这些就绪的状态（或者说就绪事件）。

举个例子来说明IO多路复用模型的流程。发起一个多路复用IO的sys_read读操作的系统调用，流程如下：

1. 选择器注册。在这种模式中，首先，将需要sys_read操作的目标文件描述符（socket 连接），提前注册到Linux的select/epoll选择器中，在Java中所对应的选择器类是Selector类。然后，才可以开启整个IO多路复用模型的轮询流程。

2. 就绪状态的轮询。通过选择器的查询方法，查询所有的提前注册过的目标文件描述符（socket连接）的IO就绪状态。通过查询的系统调用，内核会返回一个就绪的socket列表。当任何一个注册过的socket中的数据准备好或者就绪了，就是内核缓冲区有数据了，内核就将该socket加入到就绪的列表中，并且返回就绪事件。

3. 用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接，发起sys_read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。

4. 复制完成后，内核返回结果，用户线程才会解除阻塞的状态，用户线程读取到了数据，继续执行。

IO多路复用模型的sys_read系统调用流程，如图2-4所示。

IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用，一种是IO操作的系统调用，另一种是select/epoll就绪查询系统调用。IO多路复用模型建立在操作系统的基础设 施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll。

和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。

IO多路复用模型与同步非阻塞IO模型是有密切关系的，具体来说，注册在选择器上的每一个可以查询的socket连接，一般都设置成为同步非阻塞模型。只是这一点对于用户程序而言，是无感知的。

IO多路复用模型的优点：一个选择器查询线程，可以同时处理成千上万的网络连接，所以，用户程序不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

这是一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用多路IO复用模型的最大优势。通过JDK的源码可以看出，Java语言的NIO（New IO）组件，在Linux系统上，是使用的是select系统调用实现的。所以，Java语言的NIO（New IO）组件所使用的，就是IO多路复用模型。

IO多路复用模型的缺点：本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步阻塞IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个事件的查询过程是阻塞的。

如果彻底地解除线程的阻塞，就必须使用异步IO模型。

信号驱动IO模型（SIGIO、Signal Driven I/O）

在信号驱动IO模型中，用户线程通过向核心注册IO事件的回调函数，来避免IO时间查询的阻塞。

具体的做法是，用户进程预先在内核中设置一个回调函数，当某个事件发生时，内核使用信号（SIGIO）通知进程运行回调函数。 然后用户线程会继续执行，在信号回调函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

信号驱动IO的基本流程是：用户进程通过系统调用，向内核注册SIGIO信号的owner进程和以及进程内的回调函数。内核IO事件发生后（比如内核缓冲区数据就位）后，通知用户程序，用户进程通过sys_read系统调用，将数据复制到用户空间，然后执行业务逻辑。

信号驱动IO优势：用户进程在等待数据时，不会被阻塞，能够提高用户进程的效率。具体来说：在信号驱动式I/O模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。

信号驱动IO缺点：

1. 在大量IO事件发生时，可能会由于处理不过来，而导致信号队列溢出。
2. 信号驱动IO可以看成是一种异步IO，可以简单理解为系统进行用户函数的回调。只是，信号驱动IO的异步特性，又做的不彻底。为什么呢？ 信号驱动IO仅仅在IO事件的通知阶段是异步的，而在第二阶段，也就是在将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区这个过程，用户进程是阻塞的、同步的。

如果要做彻底的异步IO，那就需要使用第五种IO模式：异步IO模式。

异步IO模型（Asynchronous IO）

异步IO模型（Asynchronous IO，简称为AIO）。AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作。内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后续的业务操作。

在异步IO模型中，在整个内核的数据处理过程中，包括内核将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓冲区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区，用户程序都不需要阻塞。

异步IO模型的流程，如图2-5所示。

举个例子。发起一个异步IO的sys_read读操作的系统调用，流程如下：

1. 当用户线程发起了sys_read系统调用（可以理解为注册一个回调函数），立刻就可以开始去做其他的事，用户线程不阻塞。
2. 内核就开始了IO的第一个阶段：准备数据。等到数据准备好了，内核就会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
3. 内核会给用户线程发送一个信号（Signal），或者回调用户线程注册的回调方法，告诉用户线程，sys_read系统调用已经完成了，数据已经读入到了用户缓冲区。

（4）用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

异步IO模型的特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。用户线程需要接收内核的IO操作完成的事件，或者用户线程需要注册一个IO操作完成的回调函数。正因为如此，异步IO有的时候也被称为信号驱动IO。

异步IO异步模型的缺点：应用程序仅需要进行事件的注册与接收，其余的工作都留给了操作系统，也就是说，需要底层内核提供支持。

理论上来说，异步IO是真正的异步输入输出，它的吞吐量高于IO多路复用模型的吞吐量。就目前而言，Windows系统下通过IOCP实现了真正的异步IO。而在Linux系统下，异步IO模型在2.6版本才引入，JDK的对其的支持目前并不完善，因此异步IO在性能上没有明显的优势。

大多数的高并发服务器端的程序，一般都是基于Linux系统的。因而，目前这类高并发网络应用程序的开发，大多采用IO多路复用模型。大名鼎鼎的Netty框架，使用的就是IO多路复用模型，而不是异步IO模型。

同步异步、阻塞非阻塞区别联系

首先同步和异步，是针对应用程序（如Java）与内核的交互过程的方向而言的。

同步类型的IO操作，发起方是应用程序，接收方是内核。同步IO由应用进程发起IO操作，并阻塞等待，或者轮询的IO操作是否完成。

异步IO操作，应用程序在提前注册完成回调函数之后去做自己的事情，IO交给内核来处理，在内核完成IO操作以后，启动进程的回调函数。

阻塞与非阻塞，关注的是用户进程在IO过程中的等待状态。

前者用户进程需要为IO操作去阻塞等待，而后者用户进程可以不用为IO操作去阻塞等待。同步阻塞型IO、同步非阻塞IO、多路IO复用，都是同步IO，也是阻塞性IO。

异步IO必定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。真正的异步IO需要内核的深度参与。异步IO中的用户进程时候根本不去考虑IO的执行，IO操作主要交给内核去完成，而自己只等待一个完成信号。

小结

四种IO模型，基本上概况了当前主要的IO处理模型，理论上来说，从阻塞IO到异步IO，越往后，阻塞越少，效率也越优。在这四种IO模型中，前三种属于同步IO，因为真正的IO操作都将阻塞应用线程。

只有最后一种异步IO模型，才是真正的异步IO模型，可惜目前Linux操作系统或者说JDK的底层实现尚欠完善。不过，通过应用层优秀框架如Netty，同样能在IO多路复用模型的基础上，开发出具备支撑高并发（如百万级以上的连接）的服务器端应用。