一、前言
因工作机缘接触了Netty，百度百科上面是这么介绍Netty的：Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序，是一个基于NIO的客户、服务器端编程框架。在熟悉了刚接手的项目之后，我便开始研究这个Netty的使用。在研究过程中，我先后接触到Reactor模式以及“IO多路复用”（“IO多路复用”是一种网络IO模型，本文正文会提及），在学习网络IO模型过程中，看了几篇博文，觉得受益匪浅，遂决定记录一下前辈们整理的精华以及自己对于前辈们博文的体悟~
二、正文
之前，我对于网络IO的概念，只有阻塞IO和非阻塞IO两种，从java开发的角度，我们传统意义上的标准IO便是阻塞IO，后来jdk1.4之后出了一个NIO（New IO），这个IO便是非阻塞的，而且，在我的概念中，阻塞IO=同步IO，非阻塞IO=异步IO，我是这样理解的：IO阻塞，那么进程或者线程就不能往下执行，“卡”在IO请求的操作上，这就是同步了；非阻塞IO，IO请求之后，不会阻塞，可以继续往下执行，这就是异步了，我想应该很多人和我一样会有这种理解，我想我自己之所以会出现这种理解，很大程度上“归功”于在JavaScript中对ajax同步、异步请求使用的理解，在JavaScript中如果将ajax设置成同步的，那么JavaScript会阻塞在ajax请求上，直到ajax请求返回，反之，那么调用ajax请求之后，不必等ajax请求返回（也就是不必阻塞），可以直接往下执行，因为学艺不精，所以想当然的认为：“阻塞=同步，非阻塞=异步”放之四海而皆准，最近才发现，在不同的上下文环境中，这种等号关系不一定成立！下面就来学习一下Linux下的五种网络IO模型。
因这篇博文写的非常不错，以下内容基本转自原文（在此非常感谢原文作者的辛劳，有需要的请参见原作者博文）：
同步（synchronous） IO和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分别是什么，到底有什么区别？这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同，比如wiki，就认为asynchronous IO和non-blocking IO是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同，并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以，为了更好的回答这个问题，我先限定一下本文的上下文。
本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。本文最重要的参考文献是Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”，Stevens在这节中详细说明了各种IO的特点和区别，如果英文够好的话，推荐直接阅读。Stevens的文风是有名的深入浅出，所以不用担心看不懂。本文中的流程图也是截取自参考文献。
Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：
1）blocking IO（阻塞IO）
2）nonblocking IO（非阻塞IO）
3）IO multiplexing（IO多路复用）
4）signal driven IO（信号驱动IO）
5）asynchronous IO（异步IO）
再说一下IO发生时涉及的对象和步骤：
对于一个network IO (这里我们以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
1）等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
2）将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)
记住这两点很重要，因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。
1. blocking IO（阻塞IO）
在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：
当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。
所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了
2. nonblocking IO（非阻塞IO）
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，流程是这个样子：
从图中可以看出，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，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。
3. IO multiplexing（IO多路复用）
IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：
当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。
这个图和blocking IO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，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，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）
在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。
（笔者注：可能有些读者会对“多路复用”的概念有些迷茫，这边特意解释一下。比较官方的解释是：数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是两种最常用的多路复用技术。我举个比较通俗的例子，我们家里平时上网，从家里接到运营商的网络是通过一条网线出去，家里多台上网设备的数据都是通过这条网线出去，这条网线其实就实现了多路复用，所有的上网信号都是通过这跟线出去。“复用”的概念其实类似于“共用”的概念。）
4. signal driven IO（信号驱动IO）（笔者注）
因信号驱动IO平时不常用，遂原文作者没有提及信号驱动IO模型，但笔者认为，既然已经有提到，那么索性将其补充完整。信号驱动IO的流程图如下：
首先开启套接字的信号驱动式I/O功能，并通过sigaction系统调用安装一个信号处理器。该系统调用将立即返回，我们的进程继续往下执行，也就是说进程没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个SIGIO信号。随后就可以在信号处理器中调用recvfrom读取数据报，并通知主循环数据已经准备好，待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。不管我们如何处理信号，这个模式的优点是：我们在等待数据报到达的时候并不需要被阻塞，主循环可以继续执行，只需要等信号处理器通知数据报已经准备好被处理或者数据报已经准备好被读取了。
5. asynchronous IO（异步IO）
linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：
用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。这种异步IO模型和信号驱动IO模型的区别是：信号驱动式I/O是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，而异步I/O模型是由内核通知我们I/O操作已经完成（也就是说内核中的数据已经拷贝到用户空间，不需要用户进程或者线程发起读取数据的指令，可以直接用数据了）。
5种网络IO模型已经介绍完毕，那么现在来讨论一下阻塞、非阻塞、同步、异步的区别：
blocking IO（阻塞）vs nonblocking IO（非阻塞）：调用blocking IO会一直block住对应的进程（或者线程），直到操作完成（数据从kernel拷贝到用户空间），而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回
synchronous IO（同步IO）vs asynchronous IO（异步IO）：
在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。Stevens给出的定义（其实是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 operationcompletes;
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。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，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：
经过上面的介绍，会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。
三、链接
1、http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378
2、http://www.cnblogs.com/LarryGen/p/5428905.html
四、联系本人
为方便没有博客园账号的读者交流，特意建立一个企鹅群，读者如果有对博文不明之处，欢迎加群交流：261746360，小杜比亚-博客园，本文提及的stevens写的“UNIX® Network Programming”在群文件里面有