本文参考http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378，版权归作者所有。此处稍作整理。

本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。本文最重要的参考文献是Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking”，6.2节“I/O Models”

一、概述

Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：blocking IO、nonblocking IO、IO multiplexing、signal driven IO、asynchronous IO。由于signal driven IO在实际中并不常用，只讨论剩下的四种IO Model。

二、IO发生时涉及的对象和步骤

对于一个network IO (这里我们以read举例)，它会涉及到两个系统对象：一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。

当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

2 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

三、详述

1、blocking IO

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达，这个时候kernel就要等待足够的数据到来。用户进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

2、non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

3、IO multiplexing（多路复用）

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

IO multiplexing和blocking IO的区别： IO multiplexing需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。

用select的优势在于：它可以同时处理多个connection。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。

在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

4、Asynchronous I/O

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

四、对比

1、blocking VS non-blocking

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

2、synchronous IO VS asynchronous IO

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until thatI/O operation completes;An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked。

synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。（non-blocking IO：recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block）

3、non-blocking VS asynchronous

non-blocking IO：虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。

asynchronous IO：它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

五、问题

1、Netty中为什么没有AIO？

Netty4的beta3加了AIO了，但是到beta9又被去了，作者的意思是测试下来AIO性能不如NIO，所以没必要用。在Linux上NIO的实现本身就是epoll，使用jdk的AIO没有意义，在windows上jdk的AIO实现是IOCP，这种情况下使用AIO是比poll的性能高的，但是netty的服务器一般是在linux上。https://github.com/netty/netty/issues/2515