Java IO模型
什么是IO流
Java IO：是以流为基础进行数据的输入输出的，所有数据被串行化(所谓串行化就是数据要按顺序进行输入输出)写入输出流。简单来说就是java通过io流方式和外部设备进行交互。
从应用程序的角度解读IO
为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space ） 。
像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。
并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。
当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。
因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间
我们在平常开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络请求和响应）。
总结：
从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。
当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：
- 内核等待 I/O 设备准备好数据
- 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。
常见的IO模型
UNIX系统下，IO模型一共有5种：
- 同步阻塞I/O;
- 同步非阻塞I/O；
- I/O多路复用；
- 信号驱动I/O；
- 异步I/O；
Java中3种常见IO模型
在讲解3种常见的IO模型前，我们先来了解一下同步、异步、阻塞和非阻塞的概念。
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。
下面说说我的理解，client和服务器建立了socket连接：
同步阻塞io：client在调用read（）方法时，stream里没有数据可读，线程停止向下执行，直至stream有数据。
阻塞：体现在这个线程不能干别的了，只能在这里等着
同步：是体现在消息通知机制上的，即stream有没有数据是需要我自己来判断的。同步非阻塞io：调用read方法后，如果stream没有数据，方法就返回，然后这个线程就就干别的去了。
非阻塞：体现在，这个线程可以去干别的，不需要一直在这等着
同步：体现在消息通知机制，这个线程仍然要定时的读取stream，判断数据有没有准备好，client采用循环的方式去读取，可以看出CPU大部分被浪费了异步非阻塞io：服务端调用read()方法，若stream中无数据则返回，程序继续向下执行。当stream中有数据时，操作系统会负责把数据拷贝到用户空间，然后通知这个线程，这里的消息通知机制就是异步！而不是像NIO那样，自己起一个线程去监控stream里面有没有数据！
BIO(Blocking I/O)
BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。
同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。
在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。
NIO (Non-blocking/New I/O)
NIO是同步非阻塞的模型（严格上来讲是IO多路复用模型）
这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水。NIO的做法是叫一个线程不断的轮询水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。
同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。
相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。
但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。
所以准确的说，NIO采用的是I/O多路复用模型，IO多路复用也是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个客户端。
IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。
目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，目前几乎在所有的操作系统上都有支持。
- select 调用：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
- epoll 调用：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。
IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。
IO与NIO区别：
- 说明
- 阻塞：传统的IO流都是阻塞式的。也就是说，当一个线程调用read()或者write()方法时，该线程将被阻塞，直到有一些数据读读取或者被写入，在此期间，该线程不能执行其他任何任务。在完成网络通信进行IO操作时，由于线程会阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理，当服务器端需要处理大量的客户端时，性能急剧下降。
- 非阻塞：Java NIO 是非阻塞式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程会去执行其他任务。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其他通道上执行IO操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此NIO可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器端的所有客户端。
NIO的3个核心概念
NIO重点是把Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）三个类之间的关系弄清楚。
1.缓冲区Buffer
Buffer是一个对象。它包含一些要写入或者读出的数据。在面向流的I/O中，可以将数据写入或者将数据直接读到Stream对象中。
在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理。这也就本文上面谈到的IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。
缓冲区实质是一个数组，通常它是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。
最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能于操作byte数组。除了ByteBuffer，还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型（除了Boolean）都对应一种缓冲区，具体如下：
- ByteBuffer：字节缓冲区
- CharBuffer:字符缓冲区
- ShortBuffer：短整型缓冲区
- IntBuffer：整型缓冲区
- LongBuffer:长整型缓冲区
- FloatBuffer：浮点型缓冲区
- DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区
2.通道Channel
Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，他就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。
通道和流不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向移动，而且通道可以用于读，写或者同时用于读写。
因为Channel是全双工的，所以它比流更好地映射底层操作系统的API，特别是在UNIX网络编程中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读和写。
Channel有四种实现：
- FileChannel:是从文件中读取数据。
- DatagramChannel:从UDP网络中读取或者写入数据。
- SocketChannel:从TCP网络中读取或者写入数据。
- ServerSocketChannel:允许你监听来自TCP的连接，就像服务器一样。每一个连接都会有一个SocketChannel产生。
3.多路复用器Selector
Selector选择器可以监听多个Channel通道感兴趣的事情(read、write、accept(服务端接收)、connect，实现一个线程管理多个Channel，节省线程切换上下文的资源消耗。Selector只能管理非阻塞的通道，FileChannel是阻塞的，无法管理。
AIO (Asynchronous I/O)
AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。
异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。
BIO、NIO、AIO适用场景
- BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择。
- NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂。
- AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。