用户空间与内核空间

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。
为了保护内核空间的安全，操作系统一般都限制用户进程直接操作内核。

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，再由内核空间拷贝到网卡；
当我们使用TCP读取数据的时候，数据需要先从网卡拷贝到内核空间，再从内核空间拷贝到用户空间供用户进程使用。

内核空间与网卡的数据拷贝使用DMA技术，不需要CPU参与。

缓存IO

缓存I/O又被称作标准I/O，大多数文件系统的默认I/O操作都是缓存I/O。 在Linux的缓存I/O机制中，
数据先从磁盘复制到内核空间的缓冲区(PageCache)， 然后从内核空间缓冲区复制到应用程序的地址空间。

读操作 操作系统检查内核的缓冲区有没有需要的数据，如果已经缓存了，那么就直接从缓存中返回；
否则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中。

写操作 将数据从用户空间复制到内核空间的缓存区。这时对用户程序来说写操作就已经完成，
至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定，除非显示地调用了sync同步命令。

缓存I/O的优点 首先，在一定程度上分离了内核空间和用户空间，保护系统本身的运行安全；
其次，可以减少读盘的次数，从而提高性能。

缓存I/O的缺点 在缓存 I/O 机制中，DMA方式可以将数据直接从磁盘读到页缓存中，
或者将数据从页缓存直接写回到磁盘上，而不能直接在应用程序地址空间和磁盘之间进行数据传输，
这样，数据在传输过程中需要在应用程序地址空间（用户空间）和缓存（内核空间）之间进行多次数据拷贝操作，
这些数据拷贝操作所带来的CPU以及内存开销是非常大的。

IO模式

对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，
然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间（用户空间）。

所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1.内核空间准备好数据

2.将数据从内核空间拷贝到用户空间

因为这两个阶段，Linux系统产生了下面五种IO模型

阻塞型IO

当用户进程发起read操作，一直阻塞直到数据拷贝到用户空间为止才返回。

阻塞型IO第一阶段和第二阶段都阻塞。

非阻塞型IO

非阻塞型IO，用户进程不断询问内核，数据准备好了吗？
一直重试，直到内核说数据准备好了，然后把数据从内核空间拷贝到用户空间，返回成功，开始处理数据。

非阻塞型IO第一阶段不阻塞，第二阶段阻塞。

IO多路复用

IO多路复用，会将多个Socket注册到一个选择器(Selector)。
相当于可以使用一个线程来管理多个Socket连接。在最初的阻塞型IO，每来一个新的连接都需要分配一个线程来处理。

IO多路复用有三种模式：select、poll、epoll。当用户调用select/poll/epoll，会阻塞当前进程，
内核会不断的轮询注册到选择器(Selector)上的Socket，当任何一个Socket的数据准备好了，就会结束阻塞。
这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核空间拷贝到用户空间。

IO多路复用，第一阶段会阻塞在Selector上，第二阶段拷贝数据也会阻塞。

信号驱动IO

信号驱动IO，用户进程发起read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。

信号驱动，第一阶段不阻塞，第二阶段阻塞。

异步IO

异步IO，用户进程发起read请求后立马返回，当数据完全拷贝到用户空间后通知用户直接使用数据。

异步IO，两个阶段都不阻塞。

阻塞与非阻塞

阻塞：是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，直到调用结果返回。

比如Socket编程中，使用java.io.InputStream#read(byte[])方法读取数据，
如果没有可读数据，就会一直阻塞当前线程，直到有可读数据才会返回。

非阻塞：不能立即得到结果之前，当前线程不被挂起，而是可以继续做其它的事。

同步与异步

同步：调用者会被阻塞直到IO操作完成，调用的结果随着请求的结束而返回。。

异步：调用者不会被阻塞，调用的结果不随着请求的结束而返回，而是通过通知或回调函数的形式返回。

阻塞/非阻塞，更关心的是当前线程是不是被挂起。

同步/异步，更关心的是调用结果是不是随着请求结束而返回。

阻塞是指整个IO过程中是否有阻塞，所以，
阻塞型IO、非阻塞型、IO多路复用、信号驱动IO都是同步IO，只有最后一种才是异步IO。