网络 IO 模型
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Mar 21, 2024
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网络IO模型有五种：阻塞式IO、非阻塞式IO、IO多路复用模型、信号驱动IO模型和异步IO模型。阻塞式IO在发起IO系统调用后会一直等待返回结果，而非阻塞式IO在发起请求后会立刻返回。IO多路复用模型可以将多个Socket注册到一个Select上，由一个进程监听。信号驱动IO模型需要向内核注册一个信号处理程序，当内核中有数据准备好时，会发送一个信号给应用进程。异步IO模型在发起IO系统调用后会立刻返回，当内核中数据完全准备好并复制到用户空间时，会产生一个信号通知应用进程。
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基本概念
阻塞与非阻塞
阻塞与非阻塞，用于描述调用者在等待返回结果时的状态。
- 阻塞：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，这期间当前线程会被挂起（阻塞）。
- 非阻塞：调用者发起请求后，会立刻返回，当前线程也不会阻塞。该调用不会立刻得到结果，调用者需要定时轮询查看处理状态。
同步与异步
而同步与异步，用于描述调用结果的返回机制（或者叫通信机制）。
- 同步：调用者发起请求后，会一直等待返回结果，即由调用者主动等待这个调用结果。
- 异步：调用者发起请求后，会立刻返回，但不会立刻得到这个结果，而是由被调者在执行结束后主动通知（如 Callback）调用者。
生活案例说明：说到烧水，我们都是通过热水壶来烧水的。在很久之前，科技还没有这么发达的时候，如果我们要烧水， 需要把水壶放到火炉上，我们通过观察水壶内的水的沸腾程度来判断水有没有烧开。随着科技的发展，现在市面上的水壶都有了提醒功能，当我们把水壶插电之后，水壶水烧开之后会通过声音提醒我们水开了。
对于烧水这件事儿来说，传统水壶的烧水就是同步的，高科技水壶的烧水就是异步的。
用户空间、内核空间、系统调用
操作系统的进程空间可以分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space），它们需要不同的执行权限。
- 大多数系统交互式操作需要在内核空间中运行，比如设备 IO 操作。
- 我们的应用程序运行在用户空间，是不具备系统级的直接操作权限的。如果应用程序想要访问系统核心功能，必须通过系统调用（System Call）来完成。比如调用
recv()函数，会将输入缓冲区中的内容拷贝到用户缓冲区。
- 系统调用运行在内核空间，是操作系统为应用程序提供的接口。
五种IO模型
Linux 系统为我们提供五种可用的 IO 模型：阻塞式 IO 模型、非阻塞式 IO 模型、IO 多路复用模型、信号驱动 IO 模型和异步 IO 模型。其中前四种都是同步IO，而最后一种是异步IO
同步阻塞IO模型
Blocking IO：应用进程从发起 IO 系统调用，至内核返回成功标识，这整个期间是处于阻塞状态的。
在Java程序中，使用Socket 套接字来进行网络编程；
Socket 中文翻译为套接字，是计算机网络中进程间进行双向通信的端点的抽象。一个 Socket 代表了网络通信的一端，是由操作系统提供的进程间通信机制。要想实现网络通信，至少需要一对 Socket，其中一个运行在客户端，称之为 Client Socket；另一个运行在服务器端，称之为 Server Socket。Socket 之间的连接过程可以分为三个步骤：（1）服务器监听；（2）客户端连接；（3）连接确认。
如果没有客户端连接进来，
accept()方法会阻塞并一直等待。如果有多个客户端同时连接进来，ServerSocket会把连接扔到队列里，然后一个一个处理。对于Java程序而言，只需要通过循环不断调用accept()就可以获取新的连接。非阻塞IO模型
Non-Blocking：应用进程可以将 Socket 设置为非阻塞，这样应用进程在发起 IO 系统调用后，会立刻返回。应用进程可以轮询的发起 IO 系统调用，直到内核返回成功标识。
在 Java NIO（自Java 1.4以来） 就是一种同步非阻塞模型。
NIO是面向==缓冲区==或者==面向块编程==的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要向缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
TODO：《Java NIO 的使用》
IO多路复用模型
IO Multiplexin：可以将多个应用进程的 Socket 注册到一个 Select（多路复用器）上，然后使用一个进程来监听该 Select（该操作会阻塞），Select 会监听所有注册进来的 Socket。只要有一个 Socket 的数据准备好，就会返回该Socket。再由应用进程发起 IO 系统调用，来完成数据读取。
多路复用模型在一些地方也称为是事件驱动IO模型；IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。
通过NIO实现的Reactor模式即是I/O多路复用模型的实现
TODO：《什么是Reactor模式》
信号驱动 IO 模型
Signal Driven IO：可以为 Socket 开启信号驱动 IO 功能，应用进程需向内核注册一个信号处理程序，该操作并立即返回。当内核中有数据准备好，会发送一个信号给应用进程，应用进程便可以在信号处理程序中发起 IO 系统调用，来完成数据读取了。
系统注册了ISGIO信号处理函数，并且启动了信号驱动式IO后，就可以继续执行程序了，等到数据报准备好之后，内核会发送一个SIGIO信号给应用进程，然后应用进程在信号处理函数中调用recvfrom读取数据报。
这种模型在内核等待数据报达到期间进程不会被阻塞，可以继续执行
异步IO模型
Asynchronous IO：应用进程发起 IO 系统调用后，会立即返回。当内核中数据完全准备后，并且也复制到了用户空间，会产生一个信号来通知应用进程。
步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。注意，异步IO是需要操作系统的底层支持，在Java 7中，提供了Asynchronous IO。
通过AIO实现的Proactor模式即是异步I/O模型的实现