JAVA基础知识之网络编程——-网络通信模型（IO模型）

《Unix网络编程：卷1》中介绍了5中I/O模型，JAVA作为运行在宿主机上的程序，底层也遵循这5中I/O模型规则。这5中I/O模型分别是：

阻塞式IO
非阻塞式IO
I/O复用
信号驱动式IO
异步IO

按POSIX标准来分，IO分为同步和异步，上面的前4钟都属于同步IO，具体后面解释。

在介绍IO模型之前，需要先了解应用程序IO的过程，一般来说，一个IO分为两个阶段

应用程序向操作系统发出IO请求：应用程序发出IO请求给操作系统内核，操作系统内核需要等待数据就绪，这里的数据可能来自别的应用程序或者网络

等待数据：数据可能来自其他应用程序或者网络，如果没有数据，操作系统就一直等待，应用程序就跟着等待。
拷贝数据：将就绪的数据拷贝到应用程序工作区。

在Unix系统中，操作系统的IO操作是一个系统调用recvfrom()，即一个系统调用recvfrom包含两步，等待数据就绪和拷贝数据。

阻塞式IO模型

正如上面的IO操作的步骤，当应用程序发起IO请求之后，操作系统就要处理系统调用recvfrom()，在这个过程中，操作系统需要等待数据就绪（数据可能来自别的应用程序的输入或者网络），应用程序则不再处理别的事情，而是一直等待（即阻塞状态）数据就绪，然后操作系统完成IO操作，然后recvfrom()才方法返回，应用程序才继续执行，这就是阻塞式IO模型。下图描述了阻塞式IO模型

非阻塞式IO模型

当应用程序发起了IO请求之后，系统调用recvfrom()被执行，并且立即返回，但是返回的并不是IO处理完成的结果，而是一个特定的错误，表示IO数据没有准备好，因此不需要进行IO操作。应用程序会不停地（即轮询）执行recvfrom()系统调用，直到数据已经就绪，然后操作系统完成IO操作，recvfrom()返回成功。这个过程中，没有数据就绪时系统调用recvfrom()是立即返回的，即应用程序并没有阻塞在底层操作系统的等待数据上面，而是轮询结果。这个过程可以用下图表示，

可见阻塞IO与非阻塞IO的关键区别在于，系统调用recvfrom是否立即返回。由于轮询会消耗大量CPU时间，因此这种模式并不常用。

IO复用模型（多路复用）

前面的非阻塞IO将会轮询一个IO是否可用，而IO复用则是轮询多个IO是否至少有一个可用。

IO复用的关键在于select()函数。在阻塞IO中，应用程序阻塞在一个IO的内核操作上；

但在多路复用中，通过select()，可以同时监听多个IO请求的内核操作，只要有任意一个IO的内核操作就绪，都可以通知select()返回，再进行系统调用recvfrom()完成IO操作。

这个过程应用程序就可以同时监听多个IO请求，这比起基于多线程阻塞式IO要先进得多，因为服务器只需要一两个线程就可以进行多客户端通信。IO复用可用下图表示，

信号驱动式IO模型

在unix系统中，应用程序发起IO请求时，可以给IO请求注册一个信号函数，请求立即返回，操作系统底层则处于等待状态（等待数据就绪），直到数据就绪，然后通过信号通知主调程序，主调程序才去调用系统函数recvfrom()完成IO操作。

信号驱动也是一种非阻塞式的IO模型，比起上面的非阻塞式IO模型，信号驱动式IO模型不需要轮询检查底层IO数据是否就绪，而是被动接收信号，然后再调用recvfrom执行IO操作。

比起多路复用IO模型来说，信号驱动IO模型针对的是一个IO的完成过程，而多路复用IO模型针对的是多个IO同时进行时候的场景。信号驱动式IO模型用下图表示，

异步IO模型

异步IO模型的工作机制是，将整个IO操作（包括等待数据就绪，复制数据到应用程序工作空间）全都交给操作系统完成，操作系统完成整个过程之后，再通知应用程序。

异步IO模型跟信号驱动IO模型很相似，但是区别是信号驱动模型是在数据就绪的时候通知应用程序，应用程序再调用系统函数recvfrom进行IO操作。

而异步IO模型则是数据就绪且操作系统已经将数据拷贝进应用程序运行空间之后，操作系统再通知应用程序，这个过程中应用程序不需要阻塞。异步IO可以如下图表示，

IO模型对比

可见前面四种IO模型中，应用程序都会在某一环节阻塞（即使是轮询，也算是一种阻塞），POSIX将这种IO模型称为同步IO操作，

而异步IO模型，则是全权把IO操作整个过程都交给操作系统，中途无阻塞，POSIX将这种IO模型称为异步IO操作。以上所有IO对比如下图，