IO的基本概念
read系統調用，並不是直接從物理設備把數據讀取到內存中；write系統調用，也不是直接把數據寫入到物理設備。上層應用無論是調用操作系統的read，還是調用操作系統的write，都會涉及緩衝區。具體來說，調用操作系統的read，是把數據從內核緩衝區複製到進程緩衝區；而write系統調用，是把數據從進程緩衝區複製到內核緩衝區。
緩衝區意義
外部設備的直接讀寫，設計操作系統的中斷，發生系統中斷時，需要保存之前的進程數據和狀態等信息，而結束中斷之後，還需要恢復之前的進程數據和狀態等信息，爲了減少這種底層系統的時間損耗，性能損耗，於是在上層應用和下層硬件之間有出現了內存緩衝區。
有了內存緩衝區，上層應用使用read系統調用是，僅僅把數據從內核緩衝區去複製到上層應用的緩衝區(進程緩衝區)；上層應用使用write系統調用是，僅僅把數據從進程緩衝區複製到內核緩衝區。
底層操作會對內核緩衝去進行監控，等待緩衝去達到一定數量的時候，在進行IO設備的終端處理，集中執行物理設備的實際IO操作，這種機制提升了系統的性能。
Linux系統中，操作系統內核只有一個內核緩衝區，而每個用戶程序(進程)，有自己獨立的緩衝區，叫做進程緩衝區。所以，用戶程序的io讀寫程序，在大多數情況下，併爲沒有進行實際的IO操作，二十在進程緩衝區和內核緩衝區之間直接進行數據的交換。
IO模型
同步阻塞IO(Blocking IO)
阻塞與非阻塞
阻塞IO，指的是需要內核io操作徹底完成後，才返回到用戶空間執行用戶的操作。阻塞指的是用戶空間程序的執行狀態。
同步與異步
同步IO，是一種用戶空間與內核空間IO發起方式。同步io是指用戶空間的線程是主動發起io請求的一方，內核空間是被動接受方。異步io，是這系統內核主動發起IO請求的一方，用戶空間的線程是被動接受方。
BIO調用流程
在java應用程序進程中，默認情況下，所有的socketk連接的IO操作都是同步阻塞io,在阻塞式io模型中，java應用程序從io系統調用開始，直到系統調用返回，在這段時間內，java進程是阻塞的。放回成功後，應用進程開始處理用戶空間的緩存區數據。
在java中發起一個socket的reed讀操作的系統調用，流程大致如下：
1.從java啓動io讀的read系統調用開始，用戶線程就進入阻塞狀態
2.當系統內核收到read系統調用，就開始準備數據。一開始，數據可能還沒有到達內核緩衝區，這個時候內核就要等待。
3.內核一直等到完整的數據到達，就會講數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區(用戶空間的內存)，讓後內核返回結果(例如返回複製到用戶緩衝區中的字節數)。
4.直到內核返回後，用戶線程纔會解除阻塞的狀態，重新運行起來。
特點
阻塞io在執行的兩個階段，用戶線程都被阻塞了。
優點
應用的程序開發非常簡單；在阻塞等待數據期間，用戶線程掛起。在阻塞期間；用戶線程基本上不會佔用cpu資源
缺點
一般情況下，會爲每個連接配備一個獨立的線程；反過來說，就是一個線程維護一個連接的io操作。在併發量小的情況下，可用。不適合高併發的情況下。
同步非阻塞io(Non-blocking IO)
非阻塞Io，指定的是用戶空間的程序不要等待內核IO操作徹底完成，可以立即返回用戶空間執行用戶的操作，即處於非阻塞狀態，於此同時內核會立即放回給用戶一個狀態值。
阻塞是指用戶空間(調用線程)一直在等待，而不能幹別的事情；非阻塞是指用戶空間(調用線程)拿到內核返回的狀態值就返回自己的空間，IO操作就可以幹就幹，不可以幹，就去幹別的事情。
非阻塞io要求socket被設置成NOBBLOCK
在nio模型中，應用程序一旦開始io系統調用，會出現一下兩種情況：
1.在內核緩衝區中沒有數據的情況下，系統調用會立即放回，返回一個調用失敗的信息。
2.在內核緩衝區中有數據的情況下，是阻塞的，直到數據從內核緩衝區複製到用戶進程緩衝區。複製完成後，系統調用返回成功，應用程序開始處理用戶空間的緩衝數據。
NIO調用流程
在java中發起一個非阻塞socket的reed讀操作的系統調用，流程大致如下：
1.在內核數據沒有準備好的階段，用戶線程發起IO請求時，立即返回。所以爲了讀取到數據，用戶線程需要不斷地發起IO系統調用。查詢是否內核空間有要訪問的數據
2.內核數據到達後，用戶線程發起系統調用，用戶線程阻塞。內核開始複製數據，內核會將數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區(用戶空間的內存)，然後內核返回結果(例如返回複製到的用戶緩衝區的字節數)。
3.用戶線程讀到數據後，纔會接觸阻塞狀態，重新運行起來。用戶線程需要經過多次的調用io才能保證最終正確讀到數據，進而繼續執行。
特點
應用程序的線程需要不斷地進行IO系統調用，輪詢數據是否已經準備好；如果沒有準備好，就繼續輪詢，知道io系統調用爲止。
優點
每次發起IO系統調用，在內核等待數據過程中可以立即返回，用戶線程不會阻塞，實用性較好
缺點
不斷地輪詢內核，這將佔用大量的cpu時間，效率低下
特別聲明：
同步非阻塞io，可以簡稱NIO,但是不是Java中的NIO，雖然他們的縮寫一樣。但Java的NIO對應的是IO多路複用器模型。
IO多路複用器(IO Muliplexing)
即經典的Reactor反應器設計模式，又是又稱異步阻塞IO，java中的Selector選擇器和linux中的epoll都是這種模型。
在IO多路複用器模型中，引用了一種新的系統調用，查詢IO的就緒狀態。在Linux系統中，對應的系統調用爲select/epoll系統調用，一個進程可以監視多個文件描述符，一旦某個文件描述符就緒(一般是內核緩衝區可讀/可寫)，內核能夠將就緒的狀態返回給應用程序。隨後，應用程序根據就緒狀態，進行相應的IO系統調用。
在IO多路複用器模型中通過select/epoll系統調用，單個應用程序的線程，可以不斷輪詢成百上千的socket連接，當某個或者某些socket網絡連接有IO就緒的狀態，就返回對應的可以執行的讀寫操作。、
IO多路複用器調用流程
發起一個多路複用IO的read讀操作的系統調用，流程如下:
1,選擇器註冊，這種模式中，首先，講需要read操作的目標socket網絡連接，提前註冊到select/epoll選擇器中，Java的選擇器類是Selector類，然後纔可以開啓整個IO多路複用模型的輪詢流程。
2.就緒狀態的輪詢。通過選擇器的查詢方法，查詢註冊過的所有socket連接的就緒狀態。通過查詢的系統調用，內核會返回一個就緒的socket列表。當任何一個註冊過的socket中的數據準備好了，內核緩衝區有數據（就緒）了，內核就講socket加入就緒的列表中。當用戶進程調用了select查詢方法，那麼整個線程會被阻塞掉。
3.用戶線程獲得到了就緒狀態的列表後，根據其中的socket連接，發起read系統調用，用戶線程阻塞。內核開始複製數據，將數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區。
4.複製完成後，內核返回結果，用戶線程纔會解除阻塞的狀態，用戶線程讀取到了數據，繼續執行。
特點
IO多路複用器模型的IO涉及兩種系統調用，一種是IO操作，另一種是select/epoll(查詢數據的狀態)。IO多路複用模型建立在操作系統的基礎設施之上，即操作系統的內核必須能夠提供多路複用的系統調用select/epoll.
優點
與一個線程維護一個連接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大優勢是：一個選擇器查詢線程可以同時處理成千上萬個連接.系統不必創建大量的線程，也不必維護這些線程，從而大大減少了系統的開銷。
缺點
本質上，select/epoll系統調用是阻塞式的，屬於同步IO。都需要在讀寫事件就緒後，由系統本身負責進行讀寫，這個過程是阻塞的。
異步IO(Asychronous IO)
異步io,指的是用戶空間與內核空間的調用方式反過來。用戶空間的線程變成被動接受者，而內核空間變成了主動調用這。這有點類似與java中比較典型的回調模式，用戶空間的線程想內核空間註冊了各種IO事件的回調函數，有內核去主動調用。
異步IO(Asychronous IO). AIO的基本流程是:用戶線程通過系統調用，鄉內核註冊某個IO操作。內核在整個IO操作(數據準備，數據複製)完成後，通知用戶程序執行後續的業務操作。
在AIO模型中，在整個內核的數據處理過程中，包括內核將數據從網絡物理設備讀取都內核緩衝區，將內核緩衝區的數據複製到用戶緩衝區，用戶程序都不要阻塞。
AIO調用流程
發起一個異步IO的read讀操作的系統調用，流程如下：
1.當用戶線程發起了read系統調用，立刻就可以區開始區做其他的事了，用戶線程不阻塞。
2.內核就開始IO的第一個階段:準別數據。等數據準備好了，內核就會將數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區。
3.內核會給用戶線程發送一個信號，或者回調用戶線程註冊的回調接口，告訴用戶線程read操作完成了。
4.用戶線程讀取用戶緩衝區的數據，完成後續的業務操作。
特點
在內核準備數據和複製數據的兩個階段，用戶線程都不是阻塞的。用戶線程需要接收內核的IO操作完成的事件，或者用戶線程需要註冊一個IO操作完成的回調函數。正應爲如此，異步IO也被稱爲信號驅動IO。
缺點
應用程序僅需要進行事件的註冊與接受，其餘工作都留給了操作系統，需要底層內核提供支持。異步IO事真正的異步IO輸入輸出，吞吐量高於IO多路複用器的吞吐量。Windows系統下通過IOCP實現了真正的異步IO。而在Linux系統下，異步IO模型不完善，底層實現還是epoll，與IO多路複用相同。
參考書籍：
《Netty,Redis,Zookeeper高併發實戰》