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本系列文章包括Java、算法、计算机网络、数据库、操作系统等等，本篇介绍面试中常见的网络IO模型，也是实际工作设计中值得考虑的问题。

传送门：

1.2.

1、IO基础

为了更好了解网络IO模型，肯定要知道什么是IO呀，为啥会有许多模型，那就先来瞧瞧。

IO，实际就是Input/Output的合并简称。输入输出也就是程序必备的基础工作，如何输入输出呢，通常是读、写两种操作。

用户程序进行IO的读写，则依赖底层的IO读写，这个底层就是操作系统，读写由read&write两大系统调用负责。不同操作系统中IO读写的系统调用名称不完全相同，但原理是一致的。

网络IO实际就是Socket连接的通信，数据传输的操作。整个IO的过程通常会有几个角色参与：设备（网卡）、操作系统内核空间、缓冲区（buffer）、用户空间。

有了这些知识铺垫，接下来就可以来看看网络IO模型就简单许多了。

2、阻塞IO（Bloking IO）

一图胜万字，话不多说，先上图！

这张图很直观，也是我找了许久才找到的最合适的，这篇博客^[4]写得很详细！

阻塞IO，顾名思义，指调用了read后，必须等待数据到达，并且复制到了用户空间，才能返回，否则整个线程一直在等待。

所以阻塞IO的问题就是，线程在读写IO的时候不能干其它的事情。

Java中默认创建的Socket都是阻塞的。

阻塞IO具体流程图：

优点：应用程序开发简单；阻塞期间用户线程挂起，不占用CPU资源。

缺点：每个线程都维护一个连接IO的操作。在高并发的应用场景下，需要大量的线程维护大量的网络连接，内存和线程切换开销巨大。

3、非阻塞IO（Non-blocking IO）

非阻塞IO，指的是用户的程序不需要等待内核IO的操作完成，就可以立即返回用户空间执行用户的操作。

用户线程为了读取数据，线程发起IO请求，在内核等待数据的过程中可以立即返回，所以IO会不断轮询，直到获得数据。

具体流程如上图。

优点：每次发起IO系统调用，在内核等待数据过程可以立即返回，用户线程不阻塞，实时性好。

缺点：线程需要不断进行系统调用，轮询数据是否准备好，占用大量的CPU资源，效率低。高并发不可用，Java开发中不用该模型。

4、多路复用IO（Multiplexing IO）

多路复用IO也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux的epoll都是这种模型，算是应用广泛的一种网络IO模型。

IO多路复用的优势，主要在于引入新的系统调用，同样会轮询数据状态，但通过选择器查询IO的就绪状态，这会很大地减少系统开销。内核将就绪状态返回给该系统调用的线程，应用程序根据就绪状态进行相应的IO系统调用。

这种新的系统调用的特点，涉及两种系统调用：select/epoll就绪查询和IO操作。

优点：通过select查询线程可以处理大量的连接，系统不需要创建大量的线程，减少了系统开销。Java中New IO使用该模型，Linux使用epoll系统调用。

缺点：select/epoll就绪状态查询线程是阻塞式的，因此IO读写过程是阻塞的。

5、异步IO（Asynchronous IO）

真正地解决线程阻塞问题，就需要异步方式了。

**异步IO**，是指在整个内核的数据处理过程中，用户程序不需要等待数据到达，未到达这段时间不用阻塞，可以做其他事情。

异步IO特点：

与之前不同，用户空间与内核空间的调用方式反过来，用户空间的线程变成被动接受者，而内核成为主动调用者。有点难理解，为何如此说？

我们看看之前的IO模型，都是用户线程主动获取状态，然后完成各种操作。而这里的被动就是用户线程通过系统调用，只是向内核注册某个IO操作，然后就不管了。接下来所有事情交给内核，它完成整个IO操作后，再通知用户程序（变为主动通知），用户再执行后续的操作。

优点：可以实现比多路复用IO更高的吞吐量。

缺点：需要操作系统底层内核提供支持，而目前操作系统的这个功能并不完善。

逛了一圈网络IO的世界，才发现这里的老大还是多路复用IO。实际上IO模型的选择也是根据应用场景确定的，没有绝对的好，只有合适才好！

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