Unix IO 模型分为五种
- 同步模型 synchronous IO
- 阻塞 IO-bloking IO
- 非阻塞 IO-non-blocking IO
- 多路复用IO multiplexing IO
- 信号驱动式IO signal-driven IO
- 异步IO asynchronous IO
注：由于 信号驱动IO 在实际中并不常用，所以这里只提及剩下的四种IO模型。
这里以我们平时使用最多的网络IO为例。网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流。对于一次IO访问，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
第一阶段：等待数据准备
第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中
阻塞IO
传统的IO模型，也是最常用最简单的一个模型。在linux中默认情况下所有的socket都是blocking的。在这个IO模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform)这会导致应用程序阻塞，直到数据准备好，然后将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络IO。在调用recv()/recvfrom()函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程，大致如下图：
blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。
非阻塞 IO
非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK，当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。
所以，用户进程第一个阶段不是阻塞的,需要不断的主动询问kernel数据好了没有；第二个阶段依然总是阻塞的。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。在linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。
当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程如图所示：
同步非阻塞方式相比同步阻塞方式，能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。但是任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。
IO多路复用
IO multiplexing 就是我们说的select，poll，epoll，也称为event driven IO。java中NIO使用的就是该模型，也就是使用的Linux的epoll库。JDK1.4之前只支持阻塞IO，在JDK1.4引入了NIO，在JDK1.7对NIO包进行了升级，支持了异步IO。现在手写NIO的比较少了，大都是直接使用netty进行开发。它们用到的就是经典的reactor模式。
由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）。这就是所谓的 “IO 多路复用”。
select调用是内核级别的，select轮询能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。所以IO多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。
对于多路复用其实也就是轮询多个socket。具体流程，如下图所示：
上面的图和6-1的图其实并没有太大的不同，事实上还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是多路复用的优势在于单个process可以同时处理多个connection。
如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。
I/O多路复用的主要应用场景如下：
服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字。
服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。
异步非阻塞 IO
asynchronous IO 即经典的Proactor设计模式相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。异步过程如下图所示：
总结
blocking和non-blocking区别
调用 blocking IO 会一直阻塞相应的进程直到操作完成，而 non-blocking IO 在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。
synchronous IO和asynchronous IO区别
在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：
A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。
按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。
有人会说non-blocking IO并没有被block。其实定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。
各个IO Model的比较如图所示：
