目录
1、操作系统IO原理
2、缓冲区
3、Socket IO模型分类
4、模型演变 Reactor/Proactor
5、select/poll/epoll
6、mmap
7、IO控制方式
7.1、直接程序控制
7.2、中断驱动控制
7.3、直接存储器控制
7.4、通道控制
1、操作系统IO原理
用户程序进行IO的读写，基本上会用到read&write两大系统调用。可能不同操作系统，名称不完全一样，但是功能是一样的。read/write系统调用，并不是数据直接与物理设备进行数据交换；read系统调用，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；而write系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。这个两个系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。底层的读写交换，是由操作系统kernel内核完成的。
2、缓冲区
缓冲区的目的，是为了减少频繁的系统IO调用。大家都知道，系统调用需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束调用之后回来还需要恢复之前的信息，为了减少这种损耗时间、也损耗性能的系统调用，于是出现了缓冲区。
有了缓冲区，操作系统使用read函数把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，write把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区中。等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO的调用，提升性能。至于什么时候读取和存储则由内核来决定，用户程序不需要关心。
在linux系统中，系统内核也有个缓冲区叫做内核缓冲区。每个进程有自己独立的缓冲区，叫做进程缓冲区。所以，用户程序的IO读写程序，大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在读写自己的进程缓冲区。
3、Socket IO模型分类
同步和异步说的是消息的通知机制，阻塞非阻塞说的是线程的状态
同步阻塞IO：Java BIO
同步非阻塞IO：Java NIO
异步阻塞IO
异步非阻塞IO：Java AIO
IO多路复用：select/poll/epoll，一个线程可以获取到不同的消息连接结果
4、模型演变 Reactor/Proactor
- 单线程IO：一个while(true)循环不停的接收数据【阻塞后面的接收】
- 多线程IO：每个接收请求开一个线程【不阻塞后面的接收，线程多之后，CPU开销大】
- Reactor模型：（Java NIO 网络通信）轮训查询可操作handler
- Proactor模型：（Java AIO 网络通信）主动通知可操作handler
按照posix标准，系统IO分为同步IO和异步IO两种，其中同步IO常用的是BIO、NIO。异步IO有AIO。从程序的角度来看，BIO在读和写的时候，会阻塞，只有当程序将流写入操作系统或者读到流后，阻塞才会结束，线程接着run下去。
而NIO和AIO属于非阻塞方式，他们都是基于事件驱动思想，但是NIO采用的是Reactor 模式，而aAIO采用的是Proactor模式。
Reactor 模式使用event loop 阻塞等在IO上，一但IO可以读或写，通过分发器，遍历事件注册队列，将事件分发到指定注册的处理器。由应用的处理器来再将流读取到缓冲区或写入操作系统，完成IO操作。
Proctor 模式下读和写的方法是异步的，只需调用读和写即可。当有流可读取的时候，操作系统会将流传入read方法缓存区，并通知应用程序。对于写，当操作系统将writer 写入完毕时，操作系统会主动通知应用程序。
Proactor模式的AIO，流的读取和写入由操作系统完成，省去了遍历事件通知队列selector 的代价。Windows上的IOCP实现了AIO，linux目前只有基于epoll模拟实现的AIO。
5、select/poll/epoll
select：O(n)，它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。
poll：O(n)，poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的.
epoll：红黑树，O(1)，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。
6、mmap
mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。
当存在客户－服务程序中复制文件时候，其数据流如下，要经历四次数据复制，开销很大。
如果采用共享内存的方式，那么将大大优化IO操作，数据流变成了如下，数据只复制两次
- mmap是posix标准下的一个函数，它将文件或设备的访问映射到内存中。函数mmap/munmap
- windows下使用的是CreateFileMapping和MapViewOfFile，实际上还有一个函数OpenFileMapping，在windows下用这几个函数可以实现不同进程之间的共享内存，同时也要配合同步的对象来实现
7、IO控制方式
7.1、直接程序控制
- 当用户进程需要输入数据时，通过 CPU 向控制器发出一条 I/O 指令，启动设备输入数据，同时把状态寄存器中的忙/闲状态 busy 置为1
- 用户进程进入测试等待状态，在等待过程中，CPU 不断地用一条测试指令检查外围设备状态寄存器中的 busy 位，而外围设备只有在数据传入控制器的数据寄存器之后，才将该 busy 位置为0,。
- 处理器将数据寄存器中的数据取出，送入主存指定单元，完成一个字符的I/O操作，接着进行下一个数据的 I/O 操作
直接程序控制方式虽然简单，不需要多少硬件的支持，但由于高速的 CPU 和低速的 I/O 设备之间的速度上不匹配，因此，CPU 与外围设备只能串行工作，使 CPU 的绝大部分时间都处于等待是否完成 I/O 操作的循环测试中，造成 CPU 的极大浪费，外围设备也不能得到合理的使用，整个系统的效率很低。因此，这种I/O控制方式只适合于 CPU 执行速度较慢，且外围设备较少的系统
7.2、中断驱动控制
由于I/O操作直接由 CPU 控制，每传送一个字符或一个字，都要发生一次中断，仍然占用了大量的 CPU 处理时间，因此可以通过为外围设备增加缓冲寄存器存放数据来减少中断次数。
上述两种方法的特点都是以 CPU 为中心，数据传送通过一段程序来实现，软件的传送手段限制了数据传送的速度。接下来介绍的这两种I/O 控制方式采用硬件的方法来显示 I/O 的控制
7.3、直接存储器控制
DMA（Direct Memory Access）在 DMA 控制器的控制下，采用窃取或挪用总线控制权，在设备和主存之间开辟直接数据交换通道，成批地交换数据，而不必让 CPU 干预
7.4、通道控制
通道控制（Channel Control），独立于 CPU 的专门负责输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道指令，这些指令由 CPU 启动，并在操作结束时向 CPU 发出中断信号。
通道控制方式与DMA方式类似，也是一种以内存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制方式。与DMA方式不同的是，在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始址以及传送的数据块长度等都由CPU控制，而在通道方式中，这些都由通道来进行控制。另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制器，一个通道控制器可以控制多台设备。
