圖解四種 IO 模型的前世今生
最近越來越認為，在講解技術相關問題時，大白話固然很重要，通俗易懂，讓人有想讀下去的欲望。但幾乎所有的事，都有兩面性，在看到其帶來好處時，不妨想想是否也引入了不好的地方。
例如在博客中，過于大白話的語言的確會讓你閱讀起來更加順暢，也更容易理解。但這都是其他人理解，已經咀嚼過了的，人家是已經完全理解了，你從這些信息中大概可能會觀察不到全貌。所以，適當的白話是很好的，但這個度得控制一下。
接下來切入正文。
相信大家經?？吹竭@個問題：
BIO、NIO 和 AIO 有什么區別?
看到這個問題，可能你腦海中就會浮現以下這些字眼。比如 BIO 就是如果從內核獲取數據會一直阻塞，直到數據準備完畢返回。再比如 NIO，內核在數據沒有準備好時不會阻塞住，調用程序會一直詢問內核數據是否 Ready。
雖然是正確的，字數也很少。但是這樣一來，你看這些概念就不是理解，而是背誦了。其實 BIO 和 NIO 這類的名詞還有一個共同的名字叫——IO模型，總共有:
IO 模型
由于信號驅動 IO 在實際中不常用，我們主要講以下四種模型：
- 同步阻塞
- 同步非阻塞
- IO 多路復用
- 異步 IO
這里還是通過例子來理解這 4 種 IO 模型：
假設此時客戶端正在發送一些數據到服務器，并且數據已經通過客戶端的協議棧、網卡，陸陸續續的到達了服務器這邊的內核態 Buffer 中了。
不清楚用戶態和內核態區別的可以看看《簡單聊聊用戶態和內核態的區別》
對數據在網絡中是如何傳輸的細節感興趣的，可以去看看我之前寫的文章 《請求數據包從發送到接收，都經歷了什么?》。
同步阻塞 BIO
我們需要知道，內核在處理數據的時候其實是分成了兩個階段：
- 數據準備
- 數據復制
在網絡 IO 中，數據準備可能是客戶端還有部分數據還沒有發送、或者正在發送的途中，當前內核 Buffer 中的數據并不完整;而數據復制則是將內核態 Buffer 中的數據復制到用戶態的 Buffer 中去。
當調用線程發起 read 系統調用時，如果此時內核數據還沒有 Ready，調用線程會阻塞住，等待內核 Buffer 的數據。內核數據準備就緒之后，會將內核態 Buffer 的數據復制到用戶態 Buffer 中，這個過程中調用線程仍然是阻塞的，直到數據復制完成，整個流程用圖來表示就張這樣：
同步非阻塞 NIO
相信大家知道 Java 中有個包叫 nio，但那跟我們現在正在討論的 NIO 不是同一個概念。
現在正在討論的是 Non-Blocking IO，代表同步非阻塞，是一種基礎的 IO 模型。而 nio 包則是 New IO，里面的 IO 模型實際上是 IO多路復用，大家不要搞混淆了。
有了 BIO 的基礎，這次我們直接來看圖：
NIO
還是分為兩個階段來討論。
數據準備階段。此時用戶線程發起 read 系統調用，此時內核會立即返回一個錯誤，告訴用戶態數據還沒有 Read，然后用戶線程不停地發起請求，詢問內核當前數據的狀態。
數據復制階段。此時用戶線程還在不斷的發起請求，但是當數據 Ready 之后，用戶線程就會陷入阻塞，直到數據從內核態復制到用戶態。
稍微總結一下，如果內核態的數據沒有 Ready，用戶線程不會阻塞;但是如果內核態數據 Ready 了，即使當前的 IO 模型是同步非阻塞，用戶線程仍然會進入阻塞狀態，直到數據復制完成，并不是絕對的非阻塞。
那 NIO 的好處是啥呢?顯而易見，實時性好，內核態數據沒有 Ready 會立即返回。但是事情的兩面性就來了，頻繁的輪詢內核，會占用大量的 CPU 資源，降低效率。
IO 多路復用
IO 多路復用實際上就解決了 NIO 中的頻繁輪詢 CPU 的問題。在之前的 BIO 和 NIO 中只涉及到一種系統調用——read，在 IO 多路復用中要引入新的系統調用——select。
read 用于讀取內核態 Buffer 中的數據，而 select 你可以理解成 MySQL 中的同名關鍵字，用于查詢 IO 的就緒狀態。
在 NIO 中，內核態數據沒有 Ready 會導致用戶線程不停的輪詢，從而拉滿 CPU。而在 IO 多路復用中調用了 select 之后，只要數據沒有準備好，用戶線程就會阻塞住，避免了頻繁的輪詢當前的 IO 狀態，用圖來表示的話是這樣：
IO 多路復用
異步 AIO
該模型的實現就如其名，是異步的。用戶線程發起 read 系統調用之后，無論內核 Buffer 數據是否 Ready，都不會阻塞，而是立即返回。
內核在收到請求之后，會開始準備數據，準備好了&復制完成之后會由內核發送一個 Signal 給用戶線程，或者回調用戶線程注冊的接口進行通知。用戶線程收到通知之后就可以去讀取用戶態 Buffer 的數據了。
AIO
由于這種實現方式，異步 IO 有時也被叫做信號驅動 IO。相信你也發現了，這種方式最重要的是需要 OS 的支持，如果 OS 不支持就直接完蛋。
Linux 系統在 2.6 版本的時候才引入了異步IO，不過那個時候并不算真正的異步 IO，因為內核并不支持，底層其實是通過 IO 多路復用實現的。而到了 Linux 5.1 時，才通過 io_uring 實現了真 AIO。
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