摘要：阻塞請求結(jié)果返回之前，當前線程被掛起。也就是說在異步中，不會對用戶線程產(chǎn)生任何阻塞。當前線程在拿到此次請求結(jié)果的過程中，可以做其它事情。事實上，可以只用一個線程處理所有的通道。

同步和異步說的是服務(wù)端消息的通知機制，阻塞和非阻塞說的是客戶端線程的狀態(tài)。
已客戶端一次網(wǎng)絡(luò)請求為例做簡單說明：

同步
同步是指一次請求沒有得到結(jié)果之前就不返回。

異步
請求不會立刻得到最終結(jié)果，服務(wù)器處理完成再異步通知客戶端。

阻塞
請求結(jié)果返回之前，當前線程被掛起。在此期間不能做任何其他的事情。

非阻塞
請求立即返回，后續(xù)由客戶端時不時的詢問服務(wù)器結(jié)果或者服務(wù)器異步回調(diào)。

通常來說，IO操作包括：對硬盤的讀寫、對socket的讀寫以及外設(shè)的讀寫。
已一個IO讀取過程為例做簡要說明（如圖）：

DMA把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)(讀就緒)

內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。

內(nèi)核空間是用戶代碼無法控制的，所以用戶空間在讀取之前，首先會判斷是否已經(jīng)讀就緒。

同步IO
當用戶發(fā)出IO請求操作之后，內(nèi)核會去查看要讀取的數(shù)據(jù)是否就緒，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，就一直等待。需要通過用戶線程或者內(nèi)核不斷地去輪詢數(shù)據(jù)是否就緒，當數(shù)據(jù)就緒時，再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

異步IO
只有IO請求操作的發(fā)出是由用戶線程來進行的，IO操作的兩個階段都是由內(nèi)核自動完成，然后發(fā)送通知告知用戶線程IO操作已經(jīng)完成。也就是說在異步IO中，不會對用戶線程產(chǎn)生任何阻塞。

阻塞IO
當用戶線程發(fā)起一個IO請求操作（以讀請求操作為例），內(nèi)核查看要讀取的數(shù)據(jù)還沒就緒，當前線程被掛起，阻塞等待結(jié)果返回。

非阻塞IO
如果數(shù)據(jù)沒有就緒，則會返回一個標志信息告知用戶線程當前要讀的數(shù)據(jù)沒有就緒。當前線程在拿到此次請求結(jié)果的過程中，可以做其它事情。

BIO
同步阻塞，傳統(tǒng)io方式。
適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，這種方式對服務(wù)器資源要求比較高，并發(fā)局限于應(yīng)用中。

NIO
同步非阻塞，jdk4開始支持。
適用于連接數(shù)目多且連接比較短（輕操作）的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器。

AIO
異步非阻塞，jdk7開始支持。
適用于連接數(shù)目多且連接比較長（重操作）的架構(gòu)。

形象的理解NIO和AIO：
如果把內(nèi)核比作快遞，NIO就是你要自己時不時到官網(wǎng)查下快遞是否已經(jīng)到了你所在城市，然后自己去取快遞；AIO就是快遞員送貨上門了。

阻塞I/O（blocking I/O）

非阻塞I/O （nonblocking I/O）

I/O復(fù)用(select 和poll) （I/O multiplexing）

信號驅(qū)動I/O （signal driven I/O (SIGIO)）

異步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

簡言之，就是通過單個線程(進程)來管理多IO流。如圖：

IO多路復(fù)用避免阻塞在IO上，原本為多進程或多線程來接收多個連接的消息變?yōu)閱芜M程或單線程保存多個socket的狀態(tài)后輪詢處理。只有當某個socket讀寫就緒后，才真正調(diào)用實際的IO讀寫操作。這樣可以避免線程切換帶來的開銷。

實現(xiàn)IO多路復(fù)用需要函數(shù)來支持，就是你說的linux下的select、poll、epoll以及win下 iocp和BSD的kqueue。這幾個函數(shù)也會使進程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的是，它可以同時阻塞多個I/O操作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O準備狀態(tài)進行檢測。

IO多路復(fù)用為何比非阻塞IO模型的效率高是因為在非阻塞IO中，不斷地詢問socket狀態(tài)是通過用戶線程去進行的，而在IO多路復(fù)用中，輪詢每個socket狀態(tài)是內(nèi)核在進行的，這個效率要比用戶線程要高的多。

五種IO模型以及select、poll、epoll的詳細介紹推薦大家看這篇文章 →
socket阻塞與非阻塞，同步與異步、I/O模型

在Reactor模式中，會先對每個client注冊感興趣的事件，然后有一個線程專門去輪詢每個client是否有事件發(fā)生，當有事件發(fā)生時(讀寫就緒)，便順序處理每個事件，當所有事件處理完之后，便再轉(zhuǎn)去繼續(xù)輪詢,如圖所示：

從這里可以看出，多路復(fù)用IO就是采用Reactor模式。注意，上面的圖中展示的是順序處理每個事件，當然為了提高事件處理速度，可以通過多線程或者線程池的方式來處理事件。
在Proactor模式中，當檢測到有事件發(fā)生時，會新起一個異步操作，然后交由內(nèi)核線程去處理，當內(nèi)核線程完成IO操作之后，發(fā)送一個通知告知操作已完成，可以得知，異步IO模型采用的就是Proactor模式。

這部分摘選自：Java NIO：淺析I/O模型

Channels and Buffers（通道和緩沖區(qū)）
標準的IO基于字節(jié)流和字符流進行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）進行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。

Non-blocking IO（非阻塞IO）
Java NIO可以讓你非阻塞的使用IO，例如：當線程從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)時，線程還是可以進行其他事情。當數(shù)據(jù)被寫入到緩沖區(qū)時，線程可以繼續(xù)處理它。從緩沖區(qū)寫入通道也類似。

Selectors（選擇器）
選擇器用于監(jiān)聽多個通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達）。因此，單個的線程可以監(jiān)聽多個數(shù)據(jù)通道。

? IO ? ? ? ? ? ? ? ? NIO
面向流? ? ?? ? 面向緩沖
阻塞IO ? ? ?? ? 非阻塞IO
? 無? ? ? ? ? ? ? ? 選擇器

Java NIO的通道類似流，但又有些不同：

既可以從通道中讀取數(shù)據(jù)，又可以寫數(shù)據(jù)到通道。但流的讀寫通常是單向的。

通道可以異步地讀寫。

通道中的數(shù)據(jù)總是要先讀到一個Buffer，或者總是要從一個Buffer中寫入。

FileChannel (從文件中讀寫數(shù)據(jù))

DatagramChannel (通過UDP讀寫網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù))

SocketChannel (通過TCP讀寫網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù))

ServerSocketChannel (可以監(jiān)聽新進來的TCP連接，像Web服務(wù)器那樣)

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道進行交互。如你所知，數(shù)據(jù)是從通道讀入緩沖區(qū)，從緩沖區(qū)寫入到通道中的。

使用Buffer讀寫數(shù)據(jù)一般遵循以下四個步驟：

分配指定大小的buffer空間

寫入數(shù)據(jù)到Buffer

調(diào)用flip()方法

從Buffer中讀取數(shù)據(jù)

調(diào)用clear()方法或者compact()方法

當向buffer寫入數(shù)據(jù)時，buffer會記錄下寫了多少數(shù)據(jù)。一旦要讀取數(shù)據(jù)，需要通過flip()方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取之前寫入到buffer的所有數(shù)據(jù)。

一旦讀完了所有的數(shù)據(jù)，就需要清空緩沖區(qū)，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區(qū)：調(diào)用clear()或compact()方法。clear()方法會清空整個緩沖區(qū)。compact()方法只會清除已經(jīng)讀過的數(shù)據(jù)。任何未讀的數(shù)據(jù)都被移到緩沖區(qū)的起始處，新寫入的數(shù)據(jù)將放到緩沖區(qū)未讀數(shù)據(jù)的后面。
注：Buffer中的數(shù)據(jù)并未清除，只是這些標記告訴我們可以從哪里開始往Buffer里寫數(shù)據(jù)。

ByteBuffer

MappedByteBuffer

CharBuffer

DoubleBuffer

FloatBuffer

IntBuffer

LongBuffer

ShortBuffer

Selector（選擇器）是Java NIO中能夠檢測一到多個通道，并能夠知曉通道是否為諸如讀寫事件做好準備的組件。這樣，一個多帶帶的線程可以管理多個channel，從而管理多個網(wǎng)絡(luò)連接。

僅用單個線程來處理多個Channels的好處是，只需要更少的線程來處理通道。事實上，可以只用一個線程處理所有的通道。對于操作系統(tǒng)來說，線程之間上下文切換的開銷很大，而且每個線程都要占用系統(tǒng)的一些資源（如內(nèi)存）。因此，使用的線程越少越好。

但是，需要記住，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)和CPU在多任務(wù)方面表現(xiàn)的越來越好，所以多線程的開銷隨著時間的推移，變得越來越小了。實際上，如果一個CPU有多個內(nèi)核，不使用多任務(wù)可能是在浪費CPU能力。不管怎么說，關(guān)于那種設(shè)計的討論應(yīng)該放在另一篇不同的文章中。在這里，只要知道使用Selector能夠處理多個通道就足夠了。

服務(wù)器上所有Channel需要向Selector注冊，而Selector則負責(zé)監(jiān)視這些Socket的IO狀態(tài)(觀察者)，當其中任意一個或者多個Channel具有可用的IO操作時，該Selector的select()方法將會返回大于0的整數(shù)，該整數(shù)值就表示該Selector上有多少個Channel具有可用的IO操作，并提供了selectedKeys（）方法來返回這些Channel對應(yīng)的SelectionKey集合(一個SelectionKey對應(yīng)一個就緒的通道)。正是通過Selector，使得服務(wù)器端只需要不斷地調(diào)用Selector實例的select()方法即可知道當前所有Channel是否有需要處理的IO操作。
注：java NIO就是多路復(fù)用IO，jdk7之后底層是epoll模型。

/**
 * NioServer
 * Date: 6/27/2016
 * Time: 8:06 PM
 *
 * @author xiaodong.fan
 */
public class NioServer {

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 1、初始化一個ServerSocketChannel
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999);
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 設(shè)置為非阻塞模式，后續(xù)的accept()方法會立刻返回
    serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress, 1024);// 監(jiān)聽本地9999端口的請求，第二個參數(shù)限制可以建立的最大連接數(shù)
    Selector selector = Selector.open();
    /**
     * 將通道注冊到一個選擇器上(非阻塞模式與選擇器搭配會工作的更好)
     * 注意register()方法的第二個參數(shù)。這是一個“interest集合”，意思是在通過Selector監(jiān)聽Channel時對什么事件感興趣。
     * 可以監(jiān)聽四種不同類型的事件：OP_CONNECT，OP_ACCEPT，OP_READ，OP_WRITE
     * 如果你對不止一種事件感興趣，那么可以用“位或”操作符將常量連接起來：SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE
     */
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

    // 2、監(jiān)聽連接請求并處理
    while (true) {
      int connects = selector.select(2000);// 每次最多阻塞2秒

      if (connects == 0) {
        System.out.println("沒有請求...");
        continue;
      } else {
        System.out.println("請求來了...");
      }

      // 獲取監(jiān)聽到有連接請求的channel對應(yīng)的selectionKey
      Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
      // 遍歷selectionKey來訪問就緒的通道
      Iterator selectedKeyIterator = selectedKeys.iterator();
      while (selectedKeyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey selectionKey = selectedKeyIterator.next();
        if (selectionKey.isValid()) {

          if (selectionKey.isAcceptable()) {// 接收就緒
            ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
            // 返回一個包含新進來的連接SocketChannel，因為前面設(shè)置的非阻塞模式，這里會立即返回。
            SocketChannel socketChannel = channel.accept();
            if (socketChannel == null) {
              return;
            }
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            System.out.println("連接建立完成");
            doWrite(socketChannel, "connection is established");// 連接建立完成，給客戶端發(fā)消息

          } else if (selectionKey.isReadable()) {// 讀就緒

            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
            while ((socketChannel.read(readBuffer)) > 0) {// // 讀取客戶端發(fā)送來的消息
              readBuffer.flip();
              byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
              readBuffer.get(bytes);
              String body = new String(bytes, "utf-8");
              doWrite(socketChannel, body);// 將客戶端發(fā)送的內(nèi)容原封不動的發(fā)回去
              readBuffer.clear();
            }
            socketChannel.close();//讀取數(shù)據(jù)完畢后關(guān)閉連接，如果不關(guān)閉一直處于連接狀態(tài)。

          }
        }

        selectedKeyIterator.remove(); // 注意每次必須手動remove()，下次該通道變成就緒時，Selector會再次將其放入已選擇鍵集中
      }
    }
  }

  private static void doWrite(SocketChannel socketChannel, String response) throws IOException {
    if (StringUtils.isNotBlank(response)) {
      byte[] bytes = response.getBytes();
      ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
      writeBuffer.put(bytes);
      writeBuffer.flip();
      // 發(fā)送消息到客戶端
      socketChannel.write(writeBuffer);
      writeBuffer.clear();
    }

  }

}

Java NIO：淺析I/O模型
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