前言
在上一篇文章中，我們了解了操作系統中內核程序和用戶程序之間的區別和聯系，還提到了內核空間和用戶空間，當我們需要讀取一條數據的時候，首先需要發請求告訴內核，我需要什么數據，等內核准備好數據之后 ， 再從內核空間拷貝到用戶空間 注意加粗的部分，這兩個階段至關重要
對以上的兩個過程以及操作系統的IO流程不了解的，請務必左轉去看上一篇文章，上篇文章中是學習IO的基礎知識，只有把上一篇文章的內容看懂了，對於后續的IO幾種模型的學習和理解才會更為深刻，上一篇文章可以說是整個IO中的基石級別的知識。
文章鏈接 【網絡IO系列】 預備知識 操作系統之內核程序和用戶程序
IO的五種模型
我們回到正題，從上篇文章我們知道，當我們進行一次IO的時候，是要經過這兩個階段的，分別是
第一階段 ：等待內核准備數據
第二階段：數據從內核空間拷貝到用戶空間
這兩個階段則決定着IO的各種模型的類型，通過這兩個階段，可以將IO模型分成五種，分別是
- 阻塞式IO（BIO）
- 非阻塞式IO（NIO）
- IO多路復用
- 信號驅動IO
- 全異步IO（AIO）
阻塞
說到阻塞，在這里想先明確一下，什么是阻塞。從線程或者進程的角度來看，阻塞就是因為當前執行的這個線程，暫時的失去了CPU的執行權，被掛起等待下一次線程的調度或者線程被喚醒。如果是具體到我們的IO的話，則可以理解為，阻塞的時候你需要等待，等到數據准備好或者執行結果返回，才能繼續下一步的操作，不然只能一直等待下去。而非阻塞，則是，即便數據沒有准備好，或者執行沒有完成，你也可以去做其他的事情。
舉個例子，比如說你出門排隊買東西，假如你沒有帶手機，那你只能老老實實排隊等輪到你，在這之前，你除了排隊這件事之外，其他什么事情都干不了也不允許干，這個時候你就是阻塞的，因為你只能做排隊這一件事。那么同樣是排隊，這一次你帶了手機，那你排隊的時候，可以邊玩手機邊排隊，這個時候你就是非阻塞的。
接下來讓我們對應到上面的兩個階段，如果等待內核准備數據的時候，執行線程可以去做其他的事，那么在第一階段就是非阻塞的，否則就是阻塞的。如果在數據從內核空間拷貝到用戶空間階段，執行線程可以去干其他的事，那么第二階段就是非阻塞的，否則就是阻塞的。
阻塞式IO（BIO）
阻塞式IO，是在兩個階段都阻塞的一種IO模型，用戶發起IO請求，在等待數據和數據拷貝階段，都會被阻塞，只有這兩個階段都完成了，才能去做下一階段的事情。
就像是你沒帶手機去吃飯，你跟老板說要吃魚香肉絲，然后要等老板做好菜（准備數據），然后從廚房把菜端到你面前（數據拷貝），這兩個階段你都只能等着，什么事都干不了。
由於BIO阻塞時間長，因此相對性能就會較低，所以現在用的相對也比較少了。
非阻塞IO（NIO）
非阻塞IO，可以看作是半阻塞IO，因為他在第一階段數據准備階段不阻塞，第二階段數據拷貝階段阻塞，當用戶發出IO請求的時候，會有一個線程去詢問內核數據准備好了嗎，一直問一直問，在這期間，用戶主進程可以去干其他的事，等數據准備好了，到了第二階段，這個時候，用戶線程就要執行拷貝數據，這個時候是阻塞的。這種方式的缺點就是反復的輪訓去詢問內核數據好了沒，是很消耗CPU資源的。
就像是你帶手機去吃飯，你點好菜之后，你可以一直問老板，我的菜好了沒，老板說沒有，問完之后就可以繼續玩手機繼續等，繼續問。等到有一次你問，老板我的菜好了嗎，老板說好了，你自己過來端一下。（注意，問菜好沒有的，得是你自己問，這家NIO店的老板比較高冷，菜好了你不問他是不會主動告訴你的，這就是NIO的特點，數據准備就緒是用戶線程主動發出的詢問），這個時候菜好了，你要自己去端（數據拷貝），這個端菜的階段，你期間啥都干不了，也不能玩手機，所以NIO的第二個階段是阻塞的。
說到這里我們可以看出BIO和NIO之間的區別了，一個是傻等老板做菜給你，期間你什么都干不了，一個是自己主動詢問老板，菜好了沒，期間你可以玩手機，或者干其他的，相比BIO，NIO的效率就高了很多。當然，你可能會問了，為啥菜好沒好，還得我自己主動去問，這也太不人性化了，確實，這個問題我們想得到，計算機的科學界大師們自然也想得到，於是為了解決這個問題，於是出現了信號驅動IO和IO多路復用。
IO多路復用
通過我們上面對NIO的了解，我們可以知道，NIO多少存在着一些不夠好的地方，因為反復的輪訓也是很消耗cpu資源的。如果飯店的人少還好說，但是如果飯店人多起來了，比如說來了幾百個人，那每個人時不時就要發起一次詢問請求，那老板管不過來啊，cpu占用率也會非常高。於是，IO多路復用就出現了，IO多路復用可以說是目前用的最多的一個IO模型，在不同的操作系統內核，也有不同的實現方式，在這篇文章中，我們IO多路復用的大概思想，至於詳細介紹，后面會用一篇文章來詳細的介紹IO多路復用
IO多路復用，實際上，是通過IO請求都通過一個selector來管理，用戶進程的IO請求就不直接發給內核處理程序了，而是注冊到這個selector上面，由selector來告訴內核需要哪些數據，然后定時的去查詢內核程序，我這個selector上需要的數據，有哪些准備好了，然后再由selector告訴那些准備好了的用戶線程，讓該用戶線程去拷貝數據。在非阻塞IO中，不斷地詢問狀態時通過用戶線程去進行的，而在IO多路復用中，詢問每個狀態是內核在進行的，在IO請求非常多的時候，這個效率要比用戶線程輪詢要高的多。
就像是你帶手機去飯店吃飯，現在這家飯店的老板由於生意越來越好，人越來越多，他有點管理不過來了，於是他請了幾個服務員（selector）協助管理，然后現在飯店客戶的點餐都是告訴服務員，我需要什么菜，然后服務員把xx桌客戶的菜，記在自己的單子上。然后服務員告訴廚房他這個單子上需要哪些菜，讓廚房去做。。服務員定時問廚房看看有哪些菜已經准備好了，然后告知15號桌和89號桌客人你們的菜已經好了，請來前台端一下，然后你就去前台端菜，端菜的階段是阻塞的。
來比較一下IO多路復用和NIO，我們可以發現，當IO請求多的時候，IO多路復用效率無疑是更高的。因為對於用戶線程來說，你點完菜就可以一直玩手機了，不用因為一直問老板而分心分神，耽誤你打王者，因為菜好了，服務員會通知你
信號驅動IO
通過我們上面兩種IO模型的了解，我們可以知道，不管是NIO還是IO多路復用，本質上還是輪詢，只不過NIO是用戶線程輪詢，IO多路復用是委托給selector讓他來輪詢，那有沒有什么辦法能讓內核主動通知數據好了沒。所以，信號驅動IO出現了。信號信號，顧名思義，就是會有一個信號通知你數據已經准備好了，不用你一直去問。信號驅動IO，用戶線程發出一個請求告訴內核我需要什么數據，數據准備好了你告訴我一聲，然后內核就會記錄下這個請求，內核准備好了之后會主動通知用戶線程去執行拷貝數據，數據拷貝階段是阻塞的，需要等數據拷貝完才能做其他的事。
就像是你帶手機去吃飯，你點好菜之后，你就只管玩手機了，啥也不用管，就等老板通知你，期間你想干啥就干啥，等到菜准備好了，老板會大聲說（內核主動通知用戶進程），xxx你的魚香肉絲已經准備好了，請過來前台端一下，這個時候你要自己去端（數據拷貝），這個端菜的階段，你期間啥都干不了，也不能玩手機，所以信號驅動IO的第二個階段也是阻塞的。
我們對比信號驅動IO和NIO，可以發現最重要的區別就是NIO是用戶主動詢問內核數據好了嗎，而信號驅動IO是內核主動通知用戶數據已經好了，這就改善了上面說的NIO的問題。
全異步IO
全異步IO是最理想的一種IO模型，所謂全異步IO就是，用戶進程發起了一個IO請求，接下來可以干其他的事了，不需要等內核准備好，也不需要執行數據拷貝，數據異步拷貝到用戶空間之后，用戶進程直接拿來用就行了，這兩個階段都是由內核自動完成。完全不用用戶線程操心這些事。
前面四種IO模型實際上都屬於同步IO，只有最后一種才是是真正的異步IO，因為不管是是IO多路復用還是信號驅動，IO操作的第2個階段都會讓用戶線程阻塞，也就是內核進行數據拷貝的過程都會讓用戶線程阻塞。
舉個例子就像是，你去飯店吃飯，點好餐之后，你就可以玩手機了，飯菜做好之后，服務員會把飯菜端到你的面前，你也不需要自己去端，你需要點餐和吃飯就行了，其他的你都不用管。簡單來說，就是發出請求之后，只需要等待數據完成直接使用，等待期間，你可以做其他的事。整個過程完全的異步，體驗最好。
全異步IO雖然非常牛逼，但是現在還不是很成熟，支持全異步IO的操作系統和框架也還不是很多，所以用的也不是很多。我們只需要了解一下就行了
總結
我們這篇文章講了五種IO模型的思想，並且每種模型我們都通過一個通俗易懂的例子，來描繪其過程。相信你看完之后一定有收獲。其中比較重要的兩種是NIO和IO多路復用，這是目前來說用的最多的兩種，后面的篇幅，會專門的講這兩種模型，尤其是IO多路復用，在不同的OS上，又有select，poll，和epoll方式。等下一篇文章，我們將會細講。