前言
在上一篇文章中，我們瞭解了作業系統中核心程式和使用者程式之間的區別和聯絡，還提到了核心空間和使用者空間，當我們需要讀取一條資料的時候，首先需要發請求告訴核心，我需要什麼資料，等核心準備好資料之後 ， 再從核心空間拷貝到使用者空間 注意加粗的部分，這兩個階段至關重要
對以上的兩個過程以及作業系統的IO流程不瞭解的，請務必左轉去看上一篇文章，上篇文章中是學習IO的基礎知識，只有把上一篇文章的內容看懂了，對於後續的IO幾種模型的學習和理解才會更為深刻，上一篇文章可以說是整個IO中的基石級別的知識。
文章連結 【網路IO系列】 預備知識 作業系統之核心程式和使用者程式
IO的五種模型
我們回到正題，從上篇文章我們知道，當我們進行一次IO的時候，是要經過這兩個階段的，分別是
第一階段 ：等待核心準備資料
第二階段：資料從核心空間拷貝到使用者空間
這兩個階段則決定著IO的各種模型的型別，通過這兩個階段，可以將IO模型分成五種，分別是
- 阻塞式IO（BIO）
- 非阻塞式IO（NIO）
- IO多路複用
- 訊號驅動IO
- 全非同步IO（AIO）
阻塞
說到阻塞，在這裡想先明確一下，什麼是阻塞。從執行緒或者程式的角度來看，阻塞就是因為當前執行的這個執行緒，暫時的失去了CPU的執行權，被掛起等待下一次執行緒的排程或者執行緒被喚醒。如果是具體到我們的IO的話，則可以理解為，阻塞的時候你需要等待，等到資料準備好或者執行結果返回，才能繼續下一步的操作，不然只能一直等待下去。而非阻塞，則是，即便資料沒有準備好，或者執行沒有完成，你也可以去做其他的事情。
舉個例子，比如說你出門排隊買東西，假如你沒有帶手機，那你只能老老實實排隊等輪到你，在這之前，你除了排隊這件事之外，其他什麼事情都幹不了也不允許幹，這個時候你就是阻塞的，因為你只能做排隊這一件事。那麼同樣是排隊，這一次你帶了手機，那你排隊的時候，可以邊玩手機邊排隊，這個時候你就是非阻塞的。
接下來讓我們對應到上面的兩個階段，如果等待核心準備資料的時候，執行執行緒可以去做其他的事，那麼在第一階段就是非阻塞的，否則就是阻塞的。如果在資料從核心空間拷貝到使用者空間階段，執行執行緒可以去幹其他的事，那麼第二階段就是非阻塞的，否則就是阻塞的。
阻塞式IO（BIO）
阻塞式IO，是在兩個階段都阻塞的一種IO模型，使用者發起IO請求，在等待資料和資料拷貝階段，都會被阻塞，只有這兩個階段都完成了，才能去做下一階段的事情。
就像是你沒帶手機去吃飯，你跟老闆說要吃魚香肉絲，然後要等老闆做好菜（準備資料），然後從廚房把菜端到你面前（資料拷貝），這兩個階段你都只能等著，什麼事都幹不了。
由於BIO阻塞時間長，因此相對效能就會較低，所以現在用的相對也比較少了。
非阻塞IO（NIO）
非阻塞IO，可以看作是半阻塞IO，因為他在第一階段資料準備階段不阻塞，第二階段資料拷貝階段阻塞，當使用者發出IO請求的時候，會有一個執行緒去詢問核心資料準備好了嗎，一直問一直問，在這期間，使用者主程式可以去幹其他的事，等資料準備好了，到了第二階段，這個時候，使用者執行緒就要執行拷貝資料，這個時候是阻塞的。這種方式的缺點就是反覆的輪訓去詢問核心資料好了沒，是很消耗CPU資源的。
就像是你帶手機去吃飯，你點好菜之後，你可以一直問老闆，我的菜好了沒，老闆說沒有，問完之後就可以繼續玩手機繼續等，繼續問。等到有一次你問，老闆我的菜好了嗎，老闆說好了，你自己過來端一下。（注意，問菜好沒有的，得是你自己問，這家NIO店的老闆比較高冷，菜好了你不問他是不會主動告訴你的，這就是NIO的特點，資料準備就緒是使用者執行緒主動發出的詢問），這個時候菜好了，你要自己去端（資料拷貝），這個端菜的階段，你期間啥都幹不了，也不能玩手機，所以NIO的第二個階段是阻塞的。
說到這裡我們可以看出BIO和NIO之間的區別了，一個是傻等老闆做菜給你，期間你什麼都幹不了，一個是自己主動詢問老闆，菜好了沒，期間你可以玩手機，或者幹其他的，相比BIO，NIO的效率就高了很多。當然，你可能會問了，為啥菜好沒好，還得我自己主動去問，這也太不人性化了，確實，這個問題我們想得到，計算機的科學界大師們自然也想得到，於是為了解決這個問題，於是出現了訊號驅動IO和IO多路複用。
IO多路複用
通過我們上面對NIO的瞭解，我們可以知道，NIO多少存在著一些不夠好的地方，因為反覆的輪訓也是很消耗cpu資源的。如果飯店的人少還好說，但是如果飯店人多起來了，比如說來了幾百個人，那每個人時不時就要發起一次詢問請求，那老闆管不過來啊，cpu佔用率也會非常高。於是，IO多路複用就出現了，IO多路複用可以說是目前用的最多的一個IO模型，在不同的作業系統核心，也有不同的實現方式，在這篇文章中，我們IO多路複用的大概思想，至於詳細介紹，後面會用一篇文章來詳細的介紹IO多路複用
IO多路複用，實際上，是通過IO請求都通過一個selector來管理，使用者程式的IO請求就不直接發給核心處理程式了，而是註冊到這個selector上面，由selector來告訴核心需要哪些資料，然後定時的去查詢核心程式，我這個selector上需要的資料，有哪些準備好了，然後再由selector告訴那些準備好了的使用者執行緒，讓該使用者執行緒去拷貝資料。在非阻塞IO中，不斷地詢問狀態時通過使用者執行緒去進行的，而在IO多路複用中，詢問每個狀態是核心在進行的，在IO請求非常多的時候，這個效率要比使用者執行緒輪詢要高的多。
就像是你帶手機去飯店吃飯，現在這家飯店的老闆由於生意越來越好，人越來越多，他有點管理不過來了，於是他請了幾個服務員（selector）協助管理，然後現在飯店客戶的點餐都是告訴服務員，我需要什麼菜，然後服務員把xx桌客戶的菜，記在自己的單子上。然後服務員告訴廚房他這個單子上需要哪些菜，讓廚房去做。。服務員定時問廚房看看有哪些菜已經準備好了，然後告知15號桌和89號桌客人你們的菜已經好了，請來前臺端一下，然後你就去前臺端菜，端菜的階段是阻塞的。
來比較一下IO多路複用和NIO，我們可以發現，當IO請求多的時候，IO多路複用效率無疑是更高的。因為對於使用者執行緒來說，你點完菜就可以一直玩手機了，不用因為一直問老闆而分心分神，耽誤你打王者，因為菜好了，服務員會通知你
訊號驅動IO
通過我們上面兩種IO模型的瞭解，我們可以知道，不管是NIO還是IO多路複用，本質上還是輪詢，只不過NIO是使用者執行緒輪詢，IO多路複用是委託給selector讓他來輪詢，那有沒有什麼辦法能讓核心主動通知資料好了沒。所以，訊號驅動IO出現了。訊號訊號，顧名思義，就是會有一個訊號通知你資料已經準備好了，不用你一直去問。訊號驅動IO，使用者執行緒發出一個請求告訴核心我需要什麼資料，資料準備好了你告訴我一聲，然後核心就會記錄下這個請求，核心準備好了之後會主動通知使用者執行緒去執行拷貝資料，資料拷貝階段是阻塞的，需要等資料拷貝完才能做其他的事。
就像是你帶手機去吃飯，你點好菜之後，你就只管玩手機了，啥也不用管，就等老闆通知你，期間你想幹啥就幹啥，等到菜準備好了，老闆會大聲說（核心主動通知使用者程式），xxx你的魚香肉絲已經準備好了，請過來前臺端一下，這個時候你要自己去端（資料拷貝），這個端菜的階段，你期間啥都幹不了，也不能玩手機，所以訊號驅動IO的第二個階段也是阻塞的。
我們對比訊號驅動IO和NIO，可以發現最重要的區別就是NIO是使用者主動詢問核心資料好了嗎，而訊號驅動IO是核心主動通知使用者資料已經好了，這就改善了上面說的NIO的問題。
全非同步IO
全非同步IO是最理想的一種IO模型，所謂全非同步IO就是，使用者程式發起了一個IO請求，接下來可以幹其他的事了，不需要等核心準備好，也不需要執行資料拷貝，資料非同步拷貝到使用者空間之後，使用者程式直接拿來用就行了，這兩個階段都是由核心自動完成。完全不用使用者執行緒操心這些事。
前面四種IO模型實際上都屬於同步IO，只有最後一種才是是真正的非同步IO，因為不管是是IO多路複用還是訊號驅動，IO操作的第2個階段都會讓使用者執行緒阻塞，也就是核心進行資料拷貝的過程都會讓使用者執行緒阻塞。
舉個例子就像是，你去飯店吃飯，點好餐之後，你就可以玩手機了，飯菜做好之後，服務員會把飯菜端到你的面前，你也不需要自己去端，你需要點餐和吃飯就行了，其他的你都不用管。簡單來說，就是發出請求之後，只需要等待資料完成直接使用，等待期間，你可以做其他的事。整個過程完全的非同步，體驗最好。
全非同步IO雖然非常牛逼，但是現在還不是很成熟，支援全非同步IO的作業系統和框架也還不是很多，所以用的也不是很多。我們只需要瞭解一下就行了
總結
我們這篇文章講了五種IO模型的思想，並且每種模型我們都通過一個通俗易懂的例子，來描繪其過程。相信你看完之後一定有收穫。其中比較重要的兩種是NIO和IO多路複用，這是目前來說用的最多的兩種，後面的篇幅，會專門的講這兩種模型，尤其是IO多路複用，在不同的OS上，又有select，poll，和epoll方式。等下一篇文章，我們將會細講。