前言
随着互联网的发展，面对海量用户高并发业务，传统的阻塞式的服务端架构模式已经无能为力。为大家提供有用的高性能网络编程的I/O模型概览以及网络服务进程模型的比较，以揭开设计和实现高性能网络架构的神秘面纱。
互联网服务端处理网络请求的原理
首先看看一个典型互联网服务端处理网络请求的典型过程：
由上图可以看到，主要处理步骤包括：
1）获取请求数据，客户端与服务器建立连接发出请求，服务器接受请求（1-3）；
2）构建响应，当服务器接收完请求，并在用户空间处理客户端的请求，直到构建响应完成（4）；
3）返回数据，服务器将已构建好的响应再通过内核空间的网络 I/O 发还给客户端（5-7）。
设计服务端并发模型时，主要有如下两个关键点：
1）服务器如何管理连接，获取输入数据；
2）服务器如何处理请求。
以上两个关键点最终都与操作系统的 I/O 模型以及线程(进程)模型相关，这也是本文和下篇《高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型》将要介绍的内容。下面先详细介绍这I/O模型。
“I/O 模型”的基本认识
介绍操作系统的 I/O 模型之前，先了解一下几个概念：
1）阻塞调用与非阻塞调用；
2）阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回；
3）非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。
两者的***区别在于被调用方在收到请求到返回结果之前的这段时间内，调用方是否一直在等待。
阻塞是指调用方一直在等待而且别的事情什么都不做；非阻塞是指调用方先去忙别的事情。
同步处理与异步处理：同步处理是指被调用方得到最终结果之后才返回给调用方；异步处理是指被调用方先返回应答，然后再计算调用结果，计算完最终结果后再通知并返回给调用方。
阻塞、非阻塞和同步、异步的区别（阻塞、非阻塞和同步、异步其实针对的对象是不一样的）：
1）阻塞、非阻塞的讨论对象是调用者；
2）同步、异步的讨论对象是被调用者。
recvfrom 函数：
recvfrom 函数(经 Socket 接收数据)，这里把它视为系统调用。
一个输入操作通常包括两个不同的阶段：
1）等待数据准备好；
2）从内核向进程复制数据。
对于一个套接字上的输入操作，***步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
实际应用程序在系统调用完成上面的 2 步操作时，调用方式的阻塞、非阻塞，操作系统在处理应用程序请求时，处理方式的同步、异步处理的不同，可以分为 5 种 I/O 模型（下面的章节将逐个展开介绍）。（参考《UNIX网络编程卷1》）
I/O模型1：阻塞式 I/O 模型(blocking I/O）
在阻塞式 I/O 模型中，应用程序在从调用 recvfrom 开始到它返回有数据报准备好这段时间是阻塞的，recvfrom 返回成功后，应用进程开始处理数据报。
比喻：一个人在钓鱼，当没鱼上钩时，就坐在岸边一直等。
优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源。
缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，这种模型在实际生产中很少使用。
I/O模型2：非阻塞式 I/O 模型(non-blocking I/O）
在非阻塞式 I/O 模型中，应用程序把一个套接口设置为非阻塞，就是告诉内核，当所请求的 I/O 操作无法完成时，不要将进程睡眠。
而是返回一个错误，应用程序基于 I/O 操作函数将不断的轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到数据准备好为止。
比喻：边钓鱼边玩手机，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆。
优点：不会阻塞在内核的等待数据过程，每次发起的 I/O 请求可以立即返回，不用阻塞等待，实时性较好。
缺点：轮询将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低，所以一般 Web 服务器不使用这种 I/O 模型。
I/O模型3：I/O 复用模型(I/O multiplexing）
在 I/O 复用模型中，会用到 Select 或 Poll 函数或 Epoll 函数(Linux 2.6 以后的内核开始支持)，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 有所不同。
这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数。
比喻：放了一堆鱼竿，在岸边一直守着这堆鱼竿，没鱼上钩就玩手机。
优点：可以基于一个阻塞对象，同时在多个描述符上等待就绪，而不是使用多个线程(每个文件描述符一个线程)，这样可以大大节省系统资源。
缺点：当连接数较少时效率相比多线程+阻塞 I/O 模型效率较低，可能延迟更大，因为单个连接处理需要 2 次系统调用，占用时间会有增加。
众所周之，Nginx这样的高性能互联网反向代理服务器大获成功的关键就是得益于Epoll。
I/O模型4：信号驱动式 I/O 模型（signal-driven I/O)
在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。
当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。
比喻：鱼竿上系了个铃铛，当铃铛响，就知道鱼上钩，然后可以专心玩手机。
优点：线程并没有在等待数据时被阻塞，可以提高资源的利用率。
缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知。
信号驱动 I/O 尽管对于处理 UDP 套接字来说有用，即这种信号通知意味着到达一个数据报，或者返回一个异步错误。
但是，对于 TCP 而言，信号驱动的 I/O 方式近乎无用，因为导致这种通知的条件为数众多，每一个来进行判别会消耗很大资源，与前几种方式相比优势尽失。
I/O模型5：异步 I/O 模型（即AIO，全称asynchronous I/O）
由 POSIX 规范定义，应用程序告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区）完成后通知应用程序。
这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动 I/O 是由内核通知应用程序何时启动一个 I/O 操作，而异步 I/O 模型是由内核通知应用程序 I/O 操作何时完成。
优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠。
缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O。
而在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入，目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时都是以 IO 复用模型模式为主。
关于AOI的介绍，请见：《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》。
I/O 模型总结
从上图中我们可以看出，越往后，阻塞越少，理论上效率也是***。
这五种 I/O 模型中，前四种属于同步 I/O，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配。
