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一、用户空间和内核空间
操作系统的核心是内核，它独立与普通的应用程序，可以访问受保护的内核空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保护内核的安全，现在操作系统一般都强制用户不能直接操作内核，所以操作系统把内存空间划分成了两个部分：内核空间和用户空间。类似于饭店，老板将整个饭店划分成两个部分大厅和厨房，大厅用于顾客吃饭，厨房用于厨师做饭，厨房的门上一般贴着“厨房重地，闲人免进”。所以，当我们使用TCP发送数据的时候，需要先将数据从用户空间拷贝到内核空间，再由内核空间将数据从内核空间发送出去；当我们使用TCP读取数据的时候，数据先在内存空间准备好，再从内核空间拷贝到用户空间供用户进程使用。
所以，一次IO的读取操作分为两个阶段：
- 等待内核空间数据准备阶段
- 数据从内核空间拷贝到用户空间
IO读写的基础原理：
用户程序进行IO的读写依赖于底层的IO读写，涉及到两个缓冲区：内核缓冲区和进程缓冲区。
缓冲区的目的：减少频繁的与设备之间的物理交换。外部设备的直接读写涉及操作系统的中断，发生中断时需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束中断后还需要恢复，为了减少底层系统的时间、性能损耗，出现了内存缓冲区。
应用在read系统调用是，仅仅把数据从内核缓冲区复制到应用缓冲区（进程缓冲区），应用使用write系统调用时，仅仅把数据从进程缓冲去复制到内核缓冲区。底层操作系统会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区到达一定数量的时候，在进行IO设备的中断处理，集中执行物理设备的实际IO操作。用户程序的IO读写程序，在大多数情况下并没有进行实际的IO操作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区之间进行数据交换。
为此，Unix根据以上将IO分为了一下五种模型：
- 阻塞型IO
- 非阻塞型IO
- IO多路复用
- 信号驱动IO
- 异步IO
二、BIO同步阻塞IO（Blocking IO）
阻塞IO，当用户进程发起请求时，需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的操作。阻塞型IO在两个阶段是连续阻塞着的。并且每次客户端发送请求，服务端都需要建立一个线程去处理。
二、同步非阻塞NIO（None Blocking IO）
非阻塞IO，指的是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间执行用户的操作，即处于非阻塞的状态，与此同时内核会立刻返回给用户一个状态值。
简单来说：阻塞是指用户空间（调用线程）一直在等待，而不能干别的事；非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，IO操作可以做就去做，不可以做，继续轮询。阻塞和非阻塞的区别是阻塞会导致当前线程挂起，会涉及内核态、用户态的切换，非阻塞是轮询，线程不会被挂起，占用CPU资源。非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。
三、IO多路复用模型（IO Multiplexing）
如何避免非阻塞IO模型中的轮询等待的问题呢，那就是IO多路复用模型。
IO多路复用，多个IO操作共同使用一个Select（选择器）去询问那些IO准备好了，selector负责通知那些数据准备好了的IO，他们在自己去请求内核。IO多路复用第一阶段也会阻塞在selector上，第二阶段拷贝数据也会阻塞。
在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（一般是内核缓冲区可写/可读），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。
在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的socket连接，当某个或某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。
举个例子来说明IO多路复用模型的流程。发起一个多路复用的IO的read操作的目标socket网络连接，流程如下：
- 选择注册器。首先，需要将read操作的目标socket网络连接提前注册到select/epoll选择器中，JAVA中对应的选择器类是Selector类。然后开启整个IO多路复用模型的轮询流程。
- 就绪状态的轮询。通过选择器的查询方法，查询注册过的所有socket就绪状态。通过查询的系统调用，内核会返回一个就绪的socket列表。当任何一个注册过的socket中的数据准备好了，内核缓冲区有数据（就绪）了，内核就将该socket加入到就绪的列表中。当用户线程调用了select查询方法，整个线程会被阻塞掉。
- 用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
- 复制完成后，内核返回结果，用户线程才会解除阻塞的状态，用户线程读取到了数据，继续执行。
与NIO相比IO多路复用模式使用select/epoll，一个查询器可以同时处理大量的连接，系统不必为每一个连接创建线程，也不用在去维护这些线程，很大的节省了系统开销。
四、信号驱动IO（Signal Driven IO）
信号驱动IO，用户进程发起读取请求之前，先注册一个信号给内核说明自己需要什么数据，这个注册请求立即返回，等待内核数据准备好了主动通知用户进程，用户进程再去请求读取数据，此时，需要等待数据从内核空间拷贝到用户空间再返回。这个和餐厅下单取号，叫号取单类似。去餐厅点完单后拿到小号，就可以去做自己的事了。当餐厅准备好餐后，会叫号取餐，你再去取餐。
信号驱动，第一阶段不阻塞，第二阶段读取数据阻塞。
五、异步IO模型（Asynchronous IO）
AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作，内核在整个IO操作（包括准备、复制数据）完成后，通知用户程序，用户程序执行后序的业务操作。
大致流程如下：
- 用户线程发起read系统调用，立刻可以去干其他事，用户线程不用阻塞。
- 内核开始IO的第一阶段：准备数据。等到数据准备好了，内核就会将数据复制到用户缓冲区。
- 内核会给用户线程发送一个信号或者回调用户线程注册的毁掉接口，告诉用户线程read操作完成了。
- 用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。