1. Linux I/O基礎知識
針對linux操作系統而言，將最高的1G字節（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供內核使用，稱爲內核空間，而將較低的3G字節（從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱爲用戶空間。
有了用戶空間和內核空間，整個linux內部結構可以分爲三部分，從最底層到最上層依次是：硬件–>內核空間–>用戶空間。我們都知道，爲了OS的安全性等的考慮，進程是無法直接操作I/O設備的，其必須通過系統調用請求內核來協助完成I/O動作，而內核會爲每個I/O設備維護一個buffer。
整個請求過程爲： 用戶進程發起請求，內核接受到請求後，從I/O設備中獲取數據到buffer中，再將buffer中的數據copy到用戶進程的地址空間，該用戶進程獲取到數據後再響應客戶端。
2. Linux 網絡I/O模型
在整個請求過程中，I/O設備數據輸入至內核buffer需要時間，而從內核buffer複製數據至進程Buffer也需要時間。因此根據在這兩段時間內等待方式的不同，I/O動作可以分爲以下五種模式：
- 阻塞I/O (Blocking I/O)
- 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)
- I/O複用（I/O Multiplexing)
- 信號驅動的I/O (Signal Driven I/O)
- 異步I/O (Asynchrnous I/O)
2.1 阻塞I/O (Blocking I/O)
當用戶進程調用了recvfrom這個系統調用，內核就開始了IO的第一個階段：等待數據準備。對於network io來說，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UDP包），這個時候內核就要等待足夠的數據到來。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞。當內核一直等到數據準備好了，它就會將數據從內核中拷貝到用戶內存，然後內核返回結果，用戶進程才解除block的狀態，重新運行起來。 所以，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了。（整個過程一直是阻塞的）
2.2 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)
linux下，可以通過設置socket使其變爲non-blocking。當對一個non-blocking socket執行讀操作時，流程是這個樣子：
當用戶進程調用recvfrom時，系統不會阻塞用戶進程，而是立刻返回一個ewouldblock錯誤，從用戶進程角度講 ，並不需要等待，而是馬上就得到了一個結果（這個結果就是ewouldblock ）。用戶進程判斷標誌是ewouldblock時，就知道數據還沒準備好，於是它就可以去做其他的事了，於是它可以再次發送recvfrom，一旦內核中的數據準備好了。並且又再次收到了用戶進程的system call，那麼它馬上就將數據拷貝到了用戶內存，然後返回。 當一個應用程序在一個循環裏對一個非阻塞調用recvfrom，我們稱爲輪詢。應用程序不斷輪詢內核，看看是否已經準備好了某些操作。這通常是浪費CPU時間。
2.3 I/O複用（I/O Multiplexing)
我們都知道，select/epoll的好處就在於單個process就可以同時處理多個網絡連接的IO。它的基本原理就是select/epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。它的流程如圖：
Linux提供select/epoll，進程通過將一個或者多個fd傳遞給select或者poll系統調用，阻塞在select操作上，這樣select/poll可以幫我們偵測多個fd是否處於就緒狀態。select/poll是順序掃描fd是否就緒，而且支持的fd數量有限，因此它的使用受到一定的限制。Linux還提供了一個epoll系統調用，epoll使用基於事件驅動的方式代替順序掃描，因此性能更高一些。
I/O複用模型具體流程：用戶進程調用了select，那麼整個進程會被block，而同時，內核會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調用read操作，將數據從內核拷貝到用戶進程。 這個圖和blocking IO的圖其實並沒有太大的不同，事實上，還更差一些。因爲這裏需要使用兩個
system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在於它可以同時處理多個connection。
2.4 信號驅動的I/O (Signal Driven I/O)
首先用戶進程建立SIGIO信號處理程序，並通過系統調用sigaction執行一個信號處理函數，這時用戶進程便可以做其他的事了，一旦數據準備好，系統便爲該進程生成一個SIGIO信號，去通知它數據已經準備好了，於是用戶進程便調用recvfrom把數據從內核拷貝出來，並返回結果。
2.5 異步I/O
一般來說，這些函數通過告訴內核啓動操作並在整個操作（包括內核的數據到緩衝區的副本）完成時通知我們。這個模型和前面的信號驅動I/O模型的主要區別是，在信號驅動的I/O中，內核告訴我們何時可以啓動I/O操作，但是異步I/O時，內核告訴我們何時I/O操作完成。
當用戶進程向內核發起某個操作後，會立刻得到返回，並把所有的任務都交給內核去完成（包括將數據從內核拷貝到用戶自己的緩衝區），內核完成之後，只需返回一個信號告訴用戶進程已經完成就可以了。
3. 五種Linux I/O網絡模型對比
結果表明：前四個模型之間的主要區別是第一階段，四個模型的第二階段是一樣的：過程受阻在調用recvfrom當數據從內核拷貝到用戶緩衝區。然而，異步I/O處理兩個階段，與前四個不同。
從同步、異步，以及阻塞、非阻塞兩個維度來劃分來看：
4. I/O多路複用技術
在I/O編程中，當需要同時處理多個客戶端接入請求的時候，可以利用多線程或者I/O多路複用技術來進行處理。I/O多路複用技術是通過I/O的阻塞複用到同一個select的阻塞上，從而使得系統在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。
I/O多路複用技術的優勢:系統開銷小，系統不需要創建新的額外進程或者線程，而不需要維護這些進程和線程的運行，降低了系統的維護工作量，節省了系統資源，I/O多路複用技術的應用場景如下：
- 服務器需要同時處理多個處於監聽狀態或者多個連接狀態的套接字
- 服務器需要同時處理多種網絡協議的套接字
目前支持的I/O多路複用的系統調用有select、pselect、poll、epoll，爲了克服select的缺點，epoll作了很多重大的改進：
- 支持一個進程打開的socket描述符（FD）不受限制（僅受限於操作系統地最大文件句柄數）
- I/O 效率不會隨着FD的增加而直線下降
- 使用mmap加速內核與用戶空間的消息傳遞
- epoll的API更加簡單
5. 四種I/O的對比
5.1 同步非阻塞I/O
在早期的JDK1.4和1.5update10版本之前，JDK的Selector基於select/poll模型實現，它是基於I/O複用技術的非阻塞I/O，不是異步I/O。在JDK1.5 update10和Linux2.6以上版本，Sun優化了Selector的實現，它在底層使用了epoll替換了select/poll，但是上層的API並沒有變化。所以NIO還是一種同步非阻塞I/O
5.2 異步非阻塞I/O
在JDK1.7提供的AIO新增了異步的套接字通道，它是真正的異步I/O,在異步I/O操作的時候可以傳遞信號變量，當操作完成之後會回調相關的方法，異步I/O也稱爲AIO。
5.3 多路複用器Selector
多路複用器的核心就是通過Selector來輪詢其上的Channel，當發現某個或者多個Channel處於就緒狀態後，從阻塞狀態返回就緒的Channel的選擇鍵集合，進行I/O操作。由於多路複用器是NIO實現非阻塞的關鍵，它又是主要通過Selector實現的。
5.4 僞異步 I/O
5.5 不同I/O模型對比
