网络 IO 模型简单介绍
一、同步阻塞 IO（BIO）
当用户线程调用了 read 系统调用，内核（kernel）就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候 kernel 就要等待足够的数据到来。
当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。
从用户线程 read 系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态，一直到 kernel 返回结果后，用户线程才解除 block 的状态，重新运行起来。
BIO 的特点：在内核进行 IO 执行的两个阶段，用户线程都被 block 了。
BIO 的优点：程序简单，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。
BIO 的缺点：一般情况下，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的 IO 流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，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。因此，基本上，BIO 模型在高并发场景下是不可用的。
应用场景：文件的读写；桌面程序；网络情况非常良好同时连接数不多；
二、同步非阻塞 IO（NIO）
当用户线程调用了 read 系统调用，立即返回，不阻塞线程，用户线程需要不断地发起 IO 系统调用轮询数据是否准备好；
kernel 数据准备好后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。
用户线程解除 block 状态，重新运作起来。
NIO 的特点：应用程序的线程需要不断的进行 I/O 系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到完成系统调用为止。
NIO 的优点：每次发起的 IO 系统调用，在内核的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。
NIO 的缺点：需要不断的重复发起 IO 系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。
NIO 模型在高并发场景下，也是不可用的。一般 web 服务器不直接使用这种 IO 模型，而是在其他 IO 模型中使用非阻塞 IO 这一特性。java 的实际开发中，也不会涉及这种 IO 模型。
应用场景：连接数不高（C < 1000），并且网络稳定，此种网络模型应用场景太好了，都是因为有 IO 多路复用。
三、IO 多路复用
当用户线程调用了 read 系统调用，用户线程不直接访问 kernel ，而是进行 select/poll/epoll（多路复用器）系统调用。当然，这里有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到 select/poll/epoll 的可查询 socket 列表中（这部分由 kernel 完成）。
用户线程进行 select/poll/epoll 系统调用，线程阻塞，kernel 会查询所有 select/poll/epoll 的可查询 socket 列表，当任何一个 socket 中的数据准备好了，select/poll/epoll 就会返回。
用户线程获得了目标连接后，发起 read 系统调用，线程阻塞，内核开始复制数据，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后 kernel 返回结果。
用户线程才解除 block 的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。
多路复用 IO 的特点：
- 建立在操作系统 kernel 内核能够提供的多路复用系统调用 select/poll/epoll 基础之上的，多路复用 IO 需要用到两个系统调用（system call）， 一个 select/poll/epoll 查询调用，一个是 IO 的读取调用。
- 和 NIO 模型类似，多路复用 IO 需要轮询，需要有单独的线程不断的进行 select/poll/epoll 轮询，查找出可以进行 IO 操作的连接。
- 多路复用 IO 模型与前面的 NIO 模型是有关系的，对于每一个可以查询的 socket，一般都设置成为 non-blocking 模型。
多路复用 IO 的优点：用 select/poll/epoll 的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O 多路复用不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。
多路复用 IO 的缺点：本质上，select/poll/epoll 系统调用，属于同步 IO，也是阻塞 IO，需要在读写事件就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
tips：
- "多路"指的是多个连接；"复用"指的是复用一个进程/线程进行监控。
- Java 的 NIO（New IO）技术，使用的就是 IO 多路复用模型。在 linux 系统上，使用的是 epoll 系统调用。
多路复用器
select 是一个主动模型，需要线程自己通过一个集合存放所有的 Socket，然后发生 I/O 变化的时候遍历。在 select 模型下，操作系统不知道哪个线程应该响应哪个事件，而是由线程自己去操作系统看有没有发生网络 I/O 事件，然后再遍历自己管理的所有 Socket，看看这些 Socket 有没有发生变化。
poll 提供了更优质的编程接口，但是本质和 select 模型相同。因此千级并发以下的 I/O，你可以考虑 select 和 poll，但是如果出现更大的并发量，就需要用 epoll 模型。
select 支持的文件描述符数量默认是1024；poll 没有最大连接数限制，因其基于链表存储。
select 和 poll 的主动式的 I/O 多路复用，对负责 I/O 的线程压力过大，因此通常会设计一个高效的中间数据结构作为 I/O 事件的观察者，线程通过订阅 I/O 事件被动响应，这就是响应式模型。在 Socket 编程中，最适合提供这种中间数据结构的就是操作系统的内核，事实上 epoll 模型也是在操作系统的内核中提供了红黑树结构。
epoll 模型在操作系统内核中提供了一个中间数据结构，这个中间数据结构会提供事件监听注册，以及快速判断消息关联到哪个线程的能力（红黑树实现，文件描述符构成了一棵红黑树，而红黑树的节点上挂着文件描述符对应的线程、线程监听事件类型以及相应程序）。因此在高并发 I/O 下，可以考虑 epoll 模型，它的速度更快，开销更小。
中间观察者需要一个快速能插入（注册过程）、查询（通知过程）一个整数（Socket 的文件描述符）的数据结构。综合来看，能够解决这个问题的数据结构中，跳表和二叉搜索树都是不错的选择。
tips： 一文搞懂select、poll和epoll区别
四、异步非阻塞IO（AIO）
当用户线程调用了 read 系统调用，用户线程立刻就能去做其它的事，用户线程不阻塞。
内核（kernel）就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据，当 kernel 一直等到数据准备好了，它就会将数据从 kernel 内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。
然后，kernel 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接口，告诉用户线程 read 操作完成了。
用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。
AIO 的特点：
- 在内核 kernel 的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是 block 的。
- 用户线程需要接受 kernel 的 IO 操作完成的事件，或者说注册 IO 操作完成的回调函数到操作系统的内核，因此，异步 IO 有的时候也叫做信号驱动 IO。
AIO 的缺点：需要完成事件的注册与传递，这里边需要底层操作系统提供大量的支持，去做大量的工作。
目前来说， Windows 系统下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，但是，就目前的业界形式而言，Windows 系统，很少作为百万级以上或者说高并发应用的服务器操作系统来使用。
而在 Linux 系统下，异步 IO 模型在2.6版本才引入，目前并不完善。所以，这也是在 Linux 下，实现高并发网络编程时都是以 IO 复用模型模式为主。（https://github.com/netty/netty/issues/2515）
