還有一篇：聊聊BIO，NIO和AIO (1)
如果面試問到IO操作，這篇文章提到的問題，基本是必問，百度的面試官問我三個問題
(1)什麼是NIO(Non-blocked IO),AIO,BIO
(2) java IO 與 NIO(New IO)的差別
(3)select 與 epoll,poll差別
我胡亂說了一氣，自己邊說邊覺得完蛋了。果然，二面沒過，很簡單的問題，回來後趕緊作了總結：
一、什麼是socket？什麼是I/O操作？
我們都知道unix(like)世界裡，一切皆檔案，而檔案是什麼呢？檔案就是一串二進制流而已，不管socket,還是FIFO、管道、終端，對我們來說，一切都是檔案，一切都是流。在資訊 交換的過程中，我們都是對這些流進行資料的收發操作，簡稱為I/O操作(input and output)，往流中讀出資料，系統調用read，寫入資料，系統調用write。不過話說回來了 ，計算機裡有這麼多的流，我怎麼知道要操作哪個流呢？對，就是檔案描述符，即通常所說的fd，一個fd就是一個整數，是以，對這個整數的操作，就是對這個檔案（流）的操作。我們建立一個socket,通過系統調用會傳回一個檔案描述符，那麼剩下對socket的操作就會轉化為對這個描述符的操作。不能不說這又是一種分層和抽象的思想。
二、同步異步，阻塞非阻塞差別聯系
實際上同步與異步是針對應用程式與核心的互動而言的。同步過程中程序觸發IO操作并等待(也就是我們說的阻塞)或者輪詢的去檢視IO操作(也就是我們說的非阻塞)是否完成。 異步過程中程序觸發IO操作以後，直接傳回，做自己的事情，IO交給核心來處理，完成後核心通知程序IO完成。
同步和異步針對應用程式來說，關注的是程式中間的協作關系；阻塞與非阻塞更關注的是單個程序的執行狀态。
同步有阻塞和非阻塞之分，異步沒有，它一定是非阻塞的。
阻塞、非阻塞、多路IO複用，都是同步IO，異步必定是非阻塞的，是以不存在異步阻塞和異步非阻塞的說法。真正的異步IO需要CPU的深度參與。換句話說，隻有使用者線程在操作IO的時候根本不去考慮IO的執行全部都交給CPU去完成，而自己隻等待一個完成信号的時候，才是真正的異步IO。是以，拉一個子線程去輪詢、去死循環，或者使用select、poll、epool，都不是異步。
同步：執行一個操作之後，程序觸發IO操作并等待(也就是我們說的阻塞)或者輪詢的去檢視IO操作(也就是我們說的非阻塞)是否完成，等待結果，然後才繼續執行後續的操作。
異步：執行一個操作後，可以去執行其他的操作，然後等待通知再回來執行剛才沒執行完的操作。
阻塞：程序給CPU傳達一個任務之後，一直等待CPU處理完成，然後才執行後面的操作。
非阻塞：程序給CPU傳達任我後，繼續處理後續的操作，隔斷時間再來詢問之前的操作是否完成。這樣的過程其實也叫輪詢。
我認為， 同步與異步的根本差別是：
(1) 這是 BIO，同步阻塞的模型，下面也有，
由上面的圖可以看出，IO讀分為兩部分，(a)是資料通過網關到達核心，核心準備好資料，(b)資料從核心緩存寫入使用者緩存。
同步：不管是BIO,NIO,還是IO多路複用，第二步資料從核心緩存寫入使用者緩存一定是由 使用者線程自行讀取資料，處理資料。
異步：第二步資料是核心寫入的，并放在了使用者線程指定的緩存區，寫入完畢後通知使用者線程。
二、阻塞？
什麼是程式的阻塞呢？想象這種情形，比如你等快遞，但快遞一直沒來，你會怎麼做？有兩種方式：
- 快遞沒來，我可以先去睡覺，然後快遞來了給我打電話叫我去取就行了。
- 快遞沒來，我就不停的給快遞打電話說：擦，怎麼還沒來，給老子快點，直到快遞來。
很顯然，你無法忍受第二種方式，不僅耽擱自己的時間，也會讓快遞很想打你。
而在計算機世界，這兩種情形就對應阻塞和非阻塞忙輪詢。
- 非阻塞忙輪詢：資料沒來，程序就不停的去檢測資料，直到資料來。
- 阻塞：資料沒來，啥都不做，直到資料來了，才進行下一步的處理。
先說說阻塞，因為一個線程隻能處理一個套接字的I/O事件，如果想同時處理多個，可以利用非阻塞忙輪詢的方式,僞代碼如下：
while true
{
for i in stream[]
{
if i has data
read until unavailable
}
} 我們隻要把所有流從頭到尾查詢一遍，就可以處理多個流了，但這樣做很不好，因為如果所有的流都沒有I/O事件，白白浪費CPU時間片。正如有一位科學家所說，計算機所有的問題都可以增加一個中間層來解決，同樣，為了避免這裡cpu的空轉，我們不讓這個線程親自去檢查流中是否有事件，而是引進了一個代理(一開始是select,後來是poll)，這個代理很牛，它可以同時觀察許多流的I/O事件，如果沒有事件，代理就阻塞，線程就不會挨個挨個去輪詢了，僞代碼如下：
while true
{
select(streams[]) //這一步死在這裡，知道有一個流有I/O事件時，才往下執行
for i in streams[]
{
if i has data
read until unavailable
}
} 但是依然有個問題，我們從select那裡僅僅知道了，有I/O事件發生了，卻并不知道是哪那幾個流（可能有一個，多個，甚至全部），我們隻能無差别輪詢所有流，找出能讀出資料，或者寫入資料的流，對他們進行操作。是以select具有O(n)的無差别輪詢複雜度，同時處理的流越多，無差别輪詢時間就越長。
epoll可以了解為event poll，不同于忙輪詢和無差别輪詢，epoll會把哪個流發生了怎樣的I/O事件通知我們。是以我們說epoll實際上是事件驅動（每個事件關聯上fd）的，此時我們對這些流的操作都是有意義的。（複雜度降低到了O(1)）僞代碼如下：
while true
{
active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
for i in active_stream[]
{
read or write till
}
} 可以看到，select和epoll最大的差別就是：select隻是告訴你一定數目的流有事件了，至于哪個流有事件，還得你一個一個地去輪詢，而epoll會把發生的事件告訴你，通過發生的事件，就自然而然定位到哪個流了。不能不說epoll跟select相比，是質的飛躍，我覺得這也是一種犧牲空間，換取時間的思想，畢竟現在硬體越來越便宜了。
更詳細的Select,poll,epoll 請參考：select、poll、epoll之間的差別(搜狗面試)
三、I/O多路複用
好了，我們講了這麼多，再來總結一下，到底什麼是I/O多路複用。
先講一下I/O模型：
首先，輸入操作一般包含兩個步驟：
- 等待資料準備好（waiting for data to be ready）。對于一個套接口上的操作，這一步驟關系到資料從網絡到達，并将其複制到核心的某個緩沖區。
- 将資料從核心緩沖區複制到程序緩沖區（copying the data from the kernel to the process）。
其次了解一下常用的3種I/O模型：
1、阻塞I/O模型(BIO)
最廣泛的模型是阻塞I/O模型，預設情況下，所有套接口都是阻塞的。 程序調用recvfrom系統調用，整個過程是阻塞的，直到資料複制到程序緩沖區時才傳回（當然，系統調用被中斷也會傳回）。
2、非阻塞I/O模型(NIO)
當我們把一個套接口設定為非阻塞時，就是在告訴核心，當請求的I/O操作無法完成時，不要将程序睡眠，而是傳回一個錯誤。當資料沒有準備好時，核心立即傳回EWOULDBLOCK錯誤，第四次調用系統調用時，資料已經存在，這時将資料複制到程序緩沖區中。這其中有一個操作時輪詢（polling）。
3、I/O複用模型
此模型用到select和poll函數，這兩個函數也會使程序阻塞，select先阻塞，有活動套接字才傳回，但是和阻塞I/O不同的是，這兩個函數可以同時阻塞多個I/O操作，而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函數進行檢測，直到有資料可讀或可寫（就是監聽多個socket）。select被調用後，程序會被阻塞，核心監視所有select負責的socket，當有任何一個socket的資料準備好了，select就會傳回套接字可讀，我們就可以調用recvfrom處理資料。
正因為阻塞I/O隻能阻塞一個I/O操作，而I/O複用模型能夠阻塞多個I/O操作，是以才叫做多路複用。
4、信号驅動I/O模型（signal driven I/O， SIGIO）
首先我們允許套接口進行信号驅動I/O,并安裝一個信号處理函數，程序繼續運作并不阻塞。當資料準備好時，程序會收到一個SIGIO信号，可以在信号處理函數中調用I/O操作函數處理資料。當資料報準備好讀取時，核心就為該程序産生一個SIGIO信号。我們随後既可以在信号處理函數中調用recvfrom讀取資料報，并通知主循環資料已準備好待處理，也可以立即通知主循環，讓它來讀取資料報。無論如何處理SIGIO信号，這種模型的優勢在于等待資料報到達(第一階段)期間，程序可以繼續執行，不被阻塞。免去了select的阻塞與輪詢，當有活躍套接字時，由注冊的handler處理。
5、異步I/O模型(AIO, asynchronous I/O)
程序發起read操作之後，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之後，首先它會立刻傳回，是以不會對使用者程序産生任何block。然後，kernel會等待資料準備完成，然後将資料拷貝到使用者記憶體，當這一切都完成之後，kernel會給使用者程序發送一個signal，告訴它read操作完成了。
這個模型工作機制是：告訴核心啟動某個操作，并讓核心在整個操作(包括第二階段，即将資料從核心拷貝到程序緩沖區中)完成後通知我們。
這種模型和前一種模型差別在于：信号驅動I/O是由核心通知我們何時可以啟動一個I/O操作，而異步I/O模型是由核心通知我們I/O操作何時完成。
高性能IO模型淺析
伺服器端程式設計經常需要構造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：
（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統的IO模型。
（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：預設建立的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設定為NONBLOCK。注意這裡所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。
（3）IO多路複用（IO Multiplexing）：即經典的Reactor設計模式，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。
（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式，也稱為異步非阻塞IO。
為了友善描述，我們統一使用IO的讀操作作為示例。
一、同步阻塞IO
同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，使用者線程在核心進行IO操作時被阻塞。
圖1 同步阻塞IO
如圖1所示，使用者線程通過系統調用read發起IO讀操作，由使用者空間轉到核心空間。核心等到資料包到達後，然後将接收的資料拷貝到使用者空間，完成read操作。
使用者線程使用同步阻塞IO模型的僞代碼描述為：
{
read(socket, buffer);
process(buffer);
} 即使用者需要等待read将socket中的資料讀取到buffer後，才繼續處理接收的資料。整個IO請求的過程中，使用者線程是被阻塞的，這導緻使用者在發起IO請求時，不能做任何事情，對CPU的資源使用率不夠。
二、同步非阻塞IO
同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎上，将socket設定為NONBLOCK。這樣做使用者線程可以在發起IO請求後可以立即傳回。
圖2 同步非阻塞IO
如圖2所示，由于socket是非阻塞的方式，是以使用者線程發起IO請求時立即傳回。但并未讀取到任何資料，使用者線程需要不斷地發起IO請求，直到資料到達後，才真正讀取到資料，繼續執行。
使用者線程使用同步非阻塞IO模型的僞代碼描述為：
{
while(read(socket, buffer) != SUCCESS)
;
process(buffer);
} 即使用者需要不斷地調用read，嘗試讀取socket中的資料，直到讀取成功後，才繼續處理接收的資料。整個IO請求的過程中，雖然使用者線程每次發起IO請求後可以立即傳回，但是為了等到資料，仍需要不斷地輪詢、重複請求，消耗了大量的CPU的資源。一般很少直接使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。
三、IO多路複用
IO多路複用模型是建立在核心提供的多路分離函數select基礎之上的，使用select函數可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題。
圖3 多路分離函數select
如圖3所示，使用者首先将需要進行IO操作的socket添加到select中，然後阻塞等待select系統調用傳回。當資料到達時，socket被激活，select函數傳回。使用者線程正式發起read請求，讀取資料并繼續執行。
從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的差別，甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操作，效率更差。但是，使用select以後最大的優勢是使用者可以在一個線程内同時處理多個socket的IO請求。使用者可以注冊多個socket，然後不斷地調用select讀取被激活的socket，即可達到在同一個線程内同時處理多個IO請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達到這個目的。
使用者線程使用select函數的僞代碼描述為：
{
select(socket);
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
}
} 其中while循環前将socket添加到select監視中，然後在while内一直調用select擷取被激活的socket，一旦socket可讀，便調用read函數将socket中的資料讀取出來。
然而，使用select函數的優點并不僅限于此。雖然上述方式允許單線程内處理多個IO請求，但是每個IO請求的過程還是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。如果使用者線程隻注冊自己感興趣的socket或者IO請求，然後去做自己的事情，等到資料到來時再進行處理，則可以提高CPU的使用率。
IO多路複用模型使用了Reactor設計模式實作了這一機制。
圖4 Reactor設計模式
如圖4所示，EventHandler抽象類表示IO事件處理器，它擁有IO檔案句柄Handle（通過get_handle擷取），以及對Handle的操作handle_event（讀/寫等）。繼承于EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定制。Reactor類用于管理EventHandler（注冊、删除等），并使用handle_events實作事件循環，不斷調用同步事件多路分離器（一般是核心）的多路分離函數select，隻要某個檔案句柄被激活（可讀/寫等），select就傳回（阻塞），handle_events就會調用與檔案句柄關聯的事件處理器的handle_event進行相關操作。
圖5 IO多路複用
如圖5所示，通過Reactor的方式，可以将使用者線程輪詢IO操作狀态的工作統一交給handle_events事件循環進行處理。使用者線程注冊事件處理器之後可以繼續執行做其他的工作（異步），而Reactor線程負責調用核心的select函數檢查socket狀态。當有socket被激活時，則通知相應的使用者線程（或執行使用者線程的回調函數），執行handle_event進行資料讀取、處理的工作。由于select函數是阻塞的，是以多路IO複用模型也被稱為異步阻塞IO模型。注意，這裡的所說的阻塞是指select函數執行時線程被阻塞，而不是指socket。一般在使用IO多路複用模型時，socket都是設定為NONBLOCK的，不過這并不會産生影響，因為使用者發起IO請求時，資料已經到達了，使用者線程一定不會被阻塞。
使用者線程使用IO多路複用模型的僞代碼描述為：
void UserEventHandler::handle_event() {
if(can_read(socket)) {
read(socket, buffer);
process(buffer);
}
}
{
Reactor.register(new UserEventHandler(socket));
} 使用者需要重寫EventHandler的handle_event函數進行讀取資料、處理資料的工作，使用者線程隻需要将自己的EventHandler注冊到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循環的僞代碼大緻如下。
Reactor::handle_events() {
while(1) {
sockets = select();
for(socket in sockets) {
get_event_handler(socket).handle_event();
}
}
} 事件循環不斷地調用select擷取被激活的socket，然後根據擷取socket對應的EventHandler，執行器handle_event函數即可。
IO多路複用是最常使用的IO模型，但是其異步程度還不夠“徹底”，因為它使用了會阻塞線程的select系統調用。是以IO多路複用隻能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO。
四、異步IO
“真正”的異步IO需要作業系統更強的支援。在IO多路複用模型中，事件循環将檔案句柄的狀态事件通知給使用者線程，由使用者線程自行讀取資料、處理資料。而在異步IO模型中，當使用者線程收到通知時，資料已經被核心讀取完畢，并放在了使用者線程指定的緩沖區内，核心在IO完成後通知使用者線程直接使用即可。
異步IO模型使用了Proactor設計模式實作了這一機制。
圖6 Proactor設計模式
如圖6，Proactor模式和Reactor模式在結構上比較相似，不過在使用者（Client）使用方式上差别較大。Reactor模式中，使用者線程通過向Reactor對象注冊感興趣的事件監聽，然後事件觸發時調用事件處理函數。而Proactor模式中，使用者線程将AsynchronousOperation（讀/寫等）、Proactor以及操作完成時的CompletionHandler注冊到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一組異步操作API（讀/寫等）供使用者使用，當使用者線程調用異步API後，便繼續執行自己的任務。AsynchronousOperationProcessor 會開啟獨立的核心線程執行異步操作，實作真正的異步。當異步IO操作完成時，AsynchronousOperationProcessor将使用者線程與AsynchronousOperation一起注冊的Proactor和CompletionHandler取出，然後将CompletionHandler與IO操作的結果資料一起轉發給Proactor，Proactor負責回調每一個異步操作的事件完成處理函數handle_event。雖然Proactor模式中每個異步操作都可以綁定一個Proactor對象，但是一般在作業系統中，Proactor被實作為Singleton模式，以便于集中化分發操作完成事件。
圖7 異步IO
如圖7所示，異步IO模型中，使用者線程直接使用核心提供的異步IO API發起read請求，且發起後立即傳回，繼續執行使用者線程代碼。不過此時使用者線程已經将調用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注冊到核心，然後作業系統開啟獨立的核心線程去處理IO操作。當read請求的資料到達時，由核心負責讀取socket中的資料，并寫入使用者指定的緩沖區中。最後核心将read的資料和使用者線程注冊的CompletionHandler分發給内部Proactor，Proactor将IO完成的資訊通知給使用者線程（一般通過調用使用者線程注冊的完成事件處理函數），完成異步IO。
使用者線程使用異步IO模型的僞代碼描述為：
void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {
process(buffer);
}
{
aio_read(socket, new UserCompletionHandler);
} 使用者需要重寫CompletionHandler的handle_event函數進行處理資料的工作，參數buffer表示Proactor已經準備好的資料，使用者線程直接調用核心提供的異步IO API，并将重寫的CompletionHandler注冊即可。
相比于IO多路複用模型，異步IO并不十分常用，不少高性能并發服務程式使用IO多路複用模型+多線程任務處理的架構基本可以滿足需求。況且目前作業系統對異步IO的支援并非特别完善，更多的是采用IO多路複用模型模拟異步IO的方式（IO事件觸發時不直接通知使用者線程，而是将資料讀寫完畢後放到使用者指定的緩沖區中）。Java7之後已經支援了異步IO，感興趣的讀者可以嘗試使用。
參考：高性能IO模型淺析
參考：什麼是IO多路複用，了解IO多路複用
參考：關于同步、異步與阻塞、非阻塞的了解