一、同步阻塞 IO（BIO）
當用戶線程調用了 read 系統調用，內核（kernel）就開始了 IO 的第一個階段：准備數據。很多時候，數據在一開始還沒有到達（比如，還沒有收到一個完整的Socket數據包），這個時候 kernel 就要等待足夠的數據到來。
當 kernel 一直等到數據准備好了，它就會將數據從 kernel 內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后 kernel 返回結果。
從用戶線程 read 系統調用開始，用戶線程就進入阻塞狀態，一直到 kernel 返回結果后，用戶線程才解除 block 的狀態，重新運行起來。
BIO 的特點：在內核進行 IO 執行的兩個階段，用戶線程都被 block 了。
BIO 的優點：程序簡單，在阻塞等待數據期間，用戶線程掛起，用戶線程基本不會占用 CPU 資源。
BIO 的缺點：一般情況下，會為每個連接配套一條獨立的線程，或者說一條線程維護一個連接成功的 IO 流的讀寫。在並發量小的情況下，這個沒有什么問題。但是，當在高並發的場景下，需要大量的線程來維護大量的網絡連接，內存、線程切換開銷會非常巨大。因此，基本上，BIO 模型在高並發場景下是不可用的。
二、同步非阻塞 IO（NIO）
當用戶線程調用了 read 系統調用，立即返回，不阻塞線程，用戶線程需要不斷地發起 IO 系統調用輪詢數據是否准備好；
kernel 數據准備好后，用戶線程發起系統調用，用戶線程阻塞。內核開始復制數據，它就會將數據從 kernel 內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后 kernel 返回結果。
用戶線程解除 block 狀態，重新運作起來。
NIO 的特點：應用程序的線程需要不斷的進行 I/O 系統調用，輪詢數據是否已經准備好，如果沒有准備好，繼續輪詢，直到完成系統調用為止。
NIO 的優點：每次發起的 IO 系統調用，在內核的等待數據過程中可以立即返回，用戶線程不會阻塞，實時性較好。
NIO 的缺點：需要不斷的重復發起 IO 系統調用，這種不斷的輪詢，將會不斷地詢問內核，這將占用大量的 CPU 時間，系統資源利用率較低。
NIO 模型在高並發場景下，也是不可用的。一般 web 服務器不直接使用這種 IO 模型，而是在其他 IO 模型中使用非阻塞 IO 這一特性。java 的實際開發中，也不會涉及這種 IO 模型。
三、IO 多路復用
當用戶線程調用了 read 系統調用，用戶線程不直接訪問 kernel ，而是進行 select/poll/epoll（多路復用器）系統調用。當然，這里有一個前提，需要將目標網絡連接，提前注冊到 select/poll/epoll 的可查詢 socket 列表中（這部分由 kernel 完成）。
用戶線程進行 select/poll/epoll 系統調用，線程阻塞，kernel 會查詢所有 select/poll/epoll 的可查詢 socket 列表，當任何一個 socket 中的數據准備好了，select/poll/epoll 就會返回。
用戶線程獲得了目標連接后，發起 read 系統調用，線程阻塞，內核開始復制數據，它就會將數據從 kernel 內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后 kernel 返回結果。
用戶線程才解除 block 的狀態，用戶線程終於真正讀取到數據，繼續執行。
多路復用 IO 的特點：
- 建立在操作系統 kernel 內核能夠提供的多路復用系統調用 select/poll/epoll 基礎之上的，多路復用 IO 需要用到兩個系統調用（system call）， 一個 select/poll/epoll 查詢調用，一個是 IO 的讀取調用。
- 和 NIO 模型類似，多路復用 IO 需要輪詢，需要有單獨的線程不斷的進行 select/poll/epoll 輪詢，查找出可以進行 IO 操作的連接。
- 多路復用 IO 模型與前面的 NIO 模型是有關系的，對於每一個可以查詢的 socket，一般都設置成為 non-blocking 模型。
多路復用 IO 的優點：用 select/poll/epoll 的優勢在於，它可以同時處理成千上萬個連接（connection）。與一條線程維護一個連接相比，I/O 多路復用不必創建線程，也不必維護這些線程，從而大大減小了系統的開銷。
多路復用 IO 的缺點：本質上，select/poll/epoll 系統調用，屬於同步 IO，也是阻塞 IO，需要在讀寫事件就緒后，自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的。
tips：
- "多路"指的是多個連接；"復用"指的是復用一個進程/線程進行監控。
- Java 的 NIO（New IO）技術，使用的就是 IO 多路復用模型。在 linux 系統上，使用的是 epoll 系統調用。
多路復用器
select 是一個主動模型，需要線程自己通過一個集合存放所有的 Socket，然后發生 I/O 變化的時候遍歷。在 select 模型下，操作系統不知道哪個線程應該響應哪個事件，而是由線程自己去操作系統看有沒有發生網絡 I/O 事件，然后再遍歷自己管理的所有 Socket，看看這些 Socket 有沒有發生變化。
poll 提供了更優質的編程接口，但是本質和 select 模型相同。因此千級並發以下的 I/O，你可以考慮 select 和 poll，但是如果出現更大的並發量，就需要用 epoll 模型。
select 支持的文件描述符數量默認是1024；poll 沒有最大連接數限制，因其基於鏈表存儲。
select 和 poll 的主動式的 I/O 多路復用，對負責 I/O 的線程壓力過大，因此通常會設計一個高效的中間數據結構作為 I/O 事件的觀察者，線程通過訂閱 I/O 事件被動響應，這就是響應式模型。在 Socket 編程中，最適合提供這種中間數據結構的就是操作系統的內核，事實上 epoll 模型也是在操作系統的內核中提供了紅黑樹結構。
epoll 模型在操作系統內核中提供了一個中間數據結構，這個中間數據結構會提供事件監聽注冊，以及快速判斷消息關聯到哪個線程的能力（紅黑樹實現，文件描述符構成了一棵紅黑樹，而紅黑樹的節點上掛着文件描述符對應的線程、線程監聽事件類型以及相應程序）。因此在高並發 I/O 下，可以考慮 epoll 模型，它的速度更快，開銷更小。
中間觀察者需要一個快速能插入（注冊過程）、查詢（通知過程）一個整數（Socket 的文件描述符）的數據結構。綜合來看，能夠解決這個問題的數據結構中，跳表和二叉搜索樹都是不錯的選擇。
tips： 一文搞懂select、poll和epoll區別
四、異步非阻塞IO（AIO）
當用戶線程調用了 read 系統調用，用戶線程立刻就能去做其它的事，用戶線程不阻塞。
內核（kernel）就開始了 IO 的第一個階段：准備數據，當 kernel 一直等到數據准備好了，它就會將數據從 kernel 內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存）。
然后，kernel 會給用戶線程發送一個信號（signal），或者回調用戶線程注冊的回調接口，告訴用戶線程 read 操作完成了。
用戶線程讀取用戶緩沖區的數據，完成后續的業務操作。
AIO 的特點：
- 在內核 kernel 的等待數據和復制數據的兩個階段，用戶線程都不是 block 的。
- 用戶線程需要接受 kernel 的 IO 操作完成的事件，或者說注冊 IO 操作完成的回調函數到操作系統的內核，因此，異步 IO 有的時候也叫做信號驅動 IO。
AIO 的缺點：需要完成事件的注冊與傳遞，這里邊需要底層操作系統提供大量的支持，去做大量的工作。
目前來說， Windows 系統下通過 IOCP 實現了真正的異步 I/O，但是，就目前的業界形式而言，Windows 系統，很少作為百萬級以上或者說高並發應用的服務器操作系統來使用。
而在 Linux 系統下，異步 IO 模型在2.6版本才引入，目前並不完善。所以，這也是在 Linux 下，實現高並發網絡編程時都是以 IO 復用模型模式為主。（https://github.com/netty/netty/issues/2515）