1. 阻塞、非阻塞、同步、异步究竟是什么？
实际开发过程中，我们经常听到这些概念，但是网上的文章很少能清晰说明它们的区别，如果没有系统梳理过，很容易把这些概念搞混。
其实，这四个术语可以分成两对：
- 阻塞和非阻塞
- 同步和异步
它们之间两两组合可以拼凑出4种组合：
- 同步阻塞
- 同步非阻塞
- 异步阻塞
- 异步非阻塞
要搞清楚这些组合术语的意思，我们首先需要搞清楚同步和异步、阻塞和非阻塞的基本概念。
前提知识：首在我们的现代操作系统中，分为用户空间和内核空间，用户空间的应用程序（称为A）发起IO请求，内核空间的驱动程序（称为B）响应IO请求，应用程序A称为调用者，驱动程序B称为被调用者
1.1 同步和异步是看结果获取的方式
同步：A发起调用请求后，多次问询B来获取数据。
异步：A发起调用请求后，等待B主动通知返回数据。
1.2 阻塞和非阻塞是看发起调用后，当前线程是挂起还是运行
阻塞：A发起调用后，当前线程被挂起，在收到调用结果后，才会继续执行。
非阻塞：A发起调用后，立即得到调用结果，但是该结果可能是一个error，需要重新进行问询。
1.3 组合概念——以照相馆为例
去照相馆拍照的例子，洗照片需要30min：
同步阻塞：一直在照相馆等待，每过1min去问一下老板洗好了没有。
同步非阻塞：刷手机（去做别的事情），每过1min去问一下老板洗好了没有。
异步阻塞：一直在照相馆等待，直到老板通知你照片洗好了。
异步非阻塞：刷手机（去做别的事情），直到老板通知你照片洗好了。
- 同步阻塞
应用程序调用IO函数后，线程被挂起，等待在该函数返回数据，同时，该函数不断问询内核来获取数据
- 同步非阻塞
应用程序调用IO函数后，该函数立即返回执行结果，但结果可能是一个error，此时应用程序可以执行其他任务，但是需要时不时看一下结果是否已经准备好了
- 异步阻塞
应用程序调用IO函数后，线程被挂起，一直等待该函数返回结果。
- 异步非阻塞
应用程序调用IO函数后，线程可以先去干其他事情，等到内核通知线程数据已经准备好了，然后再去进行处理。
2. Linux系统中的五种IO模型
介绍完了基本概念，接下来我们要探究一下Linux系统发展出的5种IO模型，它们分别是：
- 阻塞I/O模型（同步阻塞类型）
- 非阻塞I/O模型（同步非阻塞类型）
- 多路复用I/O模型（同步阻塞类型的改进版）
- 信号驱动I/O模型（同步非阻塞类型的改进版）
- 异步I/O模型（异步非阻塞类型）
其中，前4种属于同步I/O，第5种属于异步I/O.
前提知识：在现代操作系统中，当应用程序向内核发起IO请求后，IO交互可以分为两个阶段：
（1）等待数据：等待数据到达外部设备（如网卡、磁盘等），然后将数据读取到内核空间
（2）拷贝数据：将数据从内核空间拷贝到用户空间
2.1 阻塞I/O模型（同步阻塞）
用户线程调用recvfrom系统调用后会被内核阻塞，直到数据被拷贝到用户空间。
内核收到系统调用后，开始准备数据，将数据从外部设备拷贝到内核空间，若数据未到达，内核也会阻塞等待。
| 特点 | 在I/O执行的两个阶段（等待数据和拷贝数据）都被阻塞 |
|---|---|
| 典型应用 | 阻塞Socket、Java BIO |
| 优点 | （1）线程被挂起，不消耗CPU资源 （2）实现难度低 （3）适合并发量小的网络应用 |
| 缺点 | （1）需要为每个请求分配一个线程，开销大 （2）不适合并发量大的应用 |
2.2 非阻塞I/O模型（同步非阻塞）
用户线程发出read请求后，如果内核中的数据还没有准备好，它并不会阻塞用户线程，而是返回一个error，从用户线程角度看，它发起read后不需要等待，可以立即得到执行结果，并对结果进行判断，如果是一个error，它就直到结果没有准备好，可以重新发送read操作，一旦内核中的数据准备好了，并再次收到了用户线程的系统调用，那么它会将数据拷贝到用户内存，然后返回。
| 特点 | 用户线程需要不断地主动询问内核数据准备好了没有 |
|---|---|
| 典型应用 | Socket设置为NON_BLOCK |
| 优点 | 实现难度低，相对阻塞IO较难 |
| 缺点 | （1）线程多次问询，消耗CPU资源 |
2.3 多路复用I/O模型（同步阻塞的改进版）
多个线程的I/O可以注册到一个复用器（Selector）上，Selector线程不断轮询多个Socket的状态，只有当真正的Socket有读写事件时，才会执行IO操作，仅需一个线程就可以管理多个Socket，不必为每个Socket维护一个线程，大大减少了资源占用，同时，Selector的轮询是在内核中进行的，减少了有用户线程轮询所产生的系统调用开销。
select被调用后，线程会被阻塞，内核监视所有select负责的socket，当有任何一个socket的数据准备好了，select就会返回套接字可读，我们就可以调用recvfrom处理数据。
| 特点 | 对于每一个Socket，一般都设置成非阻塞，但是整个用户的线程一直被阻塞，只不过是被select函数所阻塞，而不是被Socket I/O阻塞 |
|---|---|
| 典型应用 | Java NIO，epoll，poll，select |
| 优点 | （1）一个线程可以管理多个Socket连接，性能好，Reactor模式（2）适合高并发服务开发，一个线程响应多个请求 |
| 缺点 | 开发难度大 |
2.3.1 select、epoll、poll
Unix系统下多路复用IO模型的三种实现
(1)select
知道有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。
(2)poll
poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的.
(3)epoll
epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）
select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都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。
epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现。
2.3.2 Reactor设计模式
虽然多路复用I/O模型允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长，为了解决这一问题，引入了Reactor设计模式，Java NIO就采用了此方法。
2.4 信号驱动I/O模型（同步非阻塞的改进版）
线程预先告知内核，向内核注册一个信号处理函数，然后用户线程返回不阻塞，当内核数据就绪时会发送一个信号给线程，用户线程便在信号处理函数中调用IO读取数据。
实际上，信号驱动I/O模型并没有实现真正的异步，因为将数据从内核拷贝到用户空间的过程仍然是阻塞的，需要由用户线程来完成IO操作。
2.5 异步I/O模型（异步非阻塞）
用户线程发起aio_read后可以去做其他事情。
内核收到aio_read后立即返回，待数据准备好后会将数据拷贝到用户空间，然后告诉用户线程数据准备好了，用户线程可以直接对数据进行处理。和信号驱动IO模型的区别是：信号驱动IO模型是由内核告诉我们何时可以启动一个IO操作，这个IO操作由用户自定义的信号函数来实现，而异步IO模型由内核告诉我们IO操作何时完成。
| 特点 | 真正实现了异步IO，是五种IO模型中唯一的异步模型 |
|---|---|
| 典型应用 | Java7 AIO |
| 优点 | （1）不阻塞，数据一步到位（2）适合高性能、高并发应用 |
| 缺点 | （1）需要操作系统底层支持，Linux 2.5内核首次实现（2）开发难度大 |
3. Java中的IO方式
BIO (Blocking I/O): 同步阻塞 I/O 模式，数据的读取写⼊必须阻塞在⼀个线程内等待其完 成。在活动连接数不是特别⾼（⼩于单机 1000）的情况下，这种模型是⽐较不错的，可以让每 ⼀个连接专注于⾃⼰的 I/O 并且编程模型简单，也不⽤过多考虑系统的过载、限流等问题。线 程池本身就是⼀个天然的漏⽃，可以缓冲⼀些系统处理不了的连接或请求。但是，当⾯对⼗万甚 ⾄百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是⽆能为⼒的。因此，我们需要⼀种更⾼效的 I/O 处理 模型来应对更⾼的并发量。
NIO (Non-blocking/New I/O): NIO 是⼀种同步⾮阻塞的 I/O 模型，在 Java 1.4 中引⼊了 NIO 框架，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可 以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它⽀持⾯向缓冲的，基于通道的 I/O 操作⽅法。 NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现,两种通道都⽀持阻塞和⾮阻塞两种模 式。阻塞模式使⽤就像传统中的⽀持⼀样，⽐较简单，但是性能和可靠性都不好；⾮阻塞模式正 好与之相反。对于低负载、低并发的应⽤程序，可以使⽤同步阻塞 I/O 来提升开发速率和更好 的维护性；对于⾼负载、⾼并发的（⽹络）应⽤，应使⽤ NIO 的⾮阻塞模式来开发
AIO (Asynchronous I/O): AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引⼊了 NIO 的改进版 NIO 2,它是 异步⾮阻塞的 IO 模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应⽤操作之后会直接返回，不会堵塞在那⾥，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进⾏后续的操作。AIO 是异 步 IO 的缩写，虽然 NIO 在⽹络操作中，提供了⾮阻塞的⽅法，但是 NIO 的 IO ⾏为还是同步的。对于 NIO 来说，我们的业务线程是在 IO 操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程⾃ ⾏进⾏ IO 操作，IO 操作本身是同步的。查阅⽹上相关资料，我发现就⽬前来说 AIO 的应⽤还 不是很⼴泛，Netty 之前也尝试使⽤过 AIO，不过⼜放弃了。