IO模型
简介
IO是计算机术语，是Input（输入）和Output（输出）的简称。
IO分为磁盘IO和网络IO，磁盘IO是指应用程序对磁盘数据进行读写的操作，网络IO是指应用程序对网络数据进行读写的操作。
IO操作一般和读操作，写操作关联。读操作是应用程序将数据从IO设备（磁盘或者网络）读取出来可以用于业务操作，写操作一般是应用程序将程序处理的结果写到IO设备（磁盘或者网络）。
一般的操作系统，例如Linux下，应用程序不能直接和IO设备交互，所以读写操作要经过系统调用调用内核的IO能力，内核再与IO设备进行交互。
因为IO设备一般读写速度都较低，为了提高读写的效率，一般都会采用读写缓冲区的方式，将数据提前缓冲做批量的读写操作。对于磁盘来说，Linux内核提供了统一的缓冲区能力，在进行读的时候会先从系统缓冲区中读取数据，当数据在缓冲区不存在的时候在进行实际的读取，读取之后会先放在系统缓冲区。
写入磁盘的时候，一般也会先写入磁盘缓冲区，之后批量进行磁盘的写入，写缓冲不仅仅可以提高写入的效率，还减少了磁盘的寻道时间。但是在断电情况下，可能会丢失部分数据。
同理，在网络IO的时候，内核也提供了Socket缓冲区作为数据的读写缓冲，但是因为网络IO不是设备级别，而是链接级别的，所以每个socket都会有自己的读缓冲区和写缓冲区。
综上，读操作需要2次数据拷贝，分别是将数据从用户空间拷贝到内核空间，从内核空间拷贝到IO设备。同理写操作也需要2次数据拷贝，将数据从IO设备拷贝到内核空间，再从内核空间拷贝到用户空间。
IO模型是指在进行IO操作的时候的线程模型以及读写模式，一般可以分为几种，BIO，NIO以及AIO。
原理
BIO
BIO是指阻塞IO，阻塞IO在读写的时候会进行等待，直到成功获取或者写入数据。一般情况下写操作已经准备好数据，只要把数据写入内核缓冲区就可以结束，但是读操作需要等待IO设备返回数据，一般有较长的等待时间，所以本文都以读操作场景来分析各种IO模型。
BIO实现的逻辑简单，但是缺点也很明显，因为需要阻塞等待数据返回，所以BIO在等待的过程中需要一个线程，即BIO是一个链接一个线程的模式，线程资源是宝贵的系统资源，一个线程占用一定的内存资源，所以线程不是可以无限创建的，而且线程较多的情况下，系统的线程切换也会更加频繁，也会影响到系统的响应能力以及响应时间。所以BIO在支持高并发方面存在较大的瓶颈。
BIO在阻塞期间，是不需要CPU的，会发生线程的上下文切换，使进行IO操作的业务线程处于阻塞状态。当数据返回的时候，再将该业务线程回复可运行状态。在阻塞状态下，线程是不会获得CPU执行机会的，也不会浪费CPU时间片，所以在有大量IO请求的系统，一般CPU使用率或者系统负载不高。
NIO
NIO是非阻塞IO，是和阻塞IO对应的，非阻塞IO在读取不到数据的时候，不会进行阻塞等待，而是会直接返回。
所以阻塞IO需要业务线程不停的轮训请求数据，直到数据被准备好。
因为不需要阻塞等待数据，所以请求数据的线程在请求结束之后就可以释放，所以NIO模式下不需要一个网络请求长期占用一个线程资源，可以有效的节约线程数量，但是NIO引入了新的问题，就是轮训操作是较为消费系统资源的，所以多个网络链接高频轮训效率较低，而且轮训机制的实效性较差。
多路复用
多路复用是为了解决NIO中轮训带来的性能损耗而诞生。
多路复用中的多路指的是多条网络链接，即多个链接。
复用的是IO线程，多路复用只会有一个线程进行轮训，减少CPU消耗。当线程获取到数据之后，会再通知业务的回调线程进行数据的读写操作，在编程模型中称为Reactor模型。
多路复用中，应用程序有三类线程：
业务线程进行数据读写的业务线程，该类线程调用读写操作之后立即返回。
多路复用线程，该线程轮训所有的网络IO，一旦有网络IO准备好数据，多路复用线程会调用数据处理线程进行数据处理。
数据处理线程，该类线程真正读取数据，之后再进行业务处理，数据处理线程有两种模式，一种模式是IO处理和业务处理使用同一个线程，另一种模式是IO线程和处理线程分开。
在Linux系统中，多路复用有三种API，分别是select，poll和epoll。
其中select和poll都是通过轮训的方式遍历所有的文件句柄，判断这些句柄是否有准备好数据，select、poll不同的点在于poll可以轮训的IO句柄没有限制，但是select只能轮训1024个句柄。
而且select底层使用的数据结构是数组，而poll使用的是链表。
相比于select和poll，epoll有了较大的改进，epoll不再使用轮训的方式判断IO是否准备好，而是通过事件回调的机制，在内核准备好数据之后，会通过epoll，epoll再去通知业务线程。
| API | 获取数据方式 | 文件句柄限制 | 时间复杂度 | 底层数据结构 |
|---|---|---|---|---|
| select | 拷贝数据 | 1024 | Θ（N） | 数组 |
| poll | 拷贝数据 | 无限制 | Θ（N） | 链表 |
| epoll | IO句柄复制数据，epoll不拷贝 | 无限制 | Θ（1） | 红黑树 |
AIO
在多路复用中，epoll已经实现了事件通知机制，但是IO分为两个阶段，第一个阶段是数据准备，第二个阶段是数据拷贝，epoll只可以通知数据准备完成，应用程序在获取数据的时候依然需要等待数据拷贝。
AIO的数据准备和数据拷贝都由内核完成，然后通知应用程序来获取数据。