详解磁盘IO、网络IO、零拷贝IO、BIO、NIO、AIO、IO多路复用(select、poll、epoll)

1. 什么是I/O

在计算机操作系统中，所谓的I/O就是输入（Input）和输出（Output），也可以理解为读（Read）和写（Write)，针对不同的对象，I/O模式可以划分为磁盘IO模型和网络IO模型。

IO操作会涉及到用户空间和内核空间的转换，先来理解以下规则：

    内存空间分为用户空间和内核空间，也称为用户缓冲区和内核缓冲区
    用户的应用程序不能直接操作内核空间，需要将数据从内核空间拷贝到用户空间才能使用
    无论是read操作，还是write操作，都只能在内核空间里执行
    磁盘IO和网络IO请求加载到内存的数据都是先放在内核空间的

再来看看所谓的读（Read）和写（Write)操作：

    读操作：操作系统检查内核缓冲区有没有需要的数据，如果内核缓冲区已经有需要的数据了，那么就直接把内核空间的数据copy到用户空间，供用户的应用程序使用。如果内核缓冲区没有需要的数据，对于磁盘IO，直接从磁盘中读取到内核缓冲区（这个过程可以不需要cpu参与）。而对于网络IO，应用程序需要等待客户端发送数据，如果客户端还没有发送数据，对应的应用程序将会被阻塞，直到客户端发送了数据，该应用程序才会被唤醒，从Socket协议找中读取客户端发送的数据到内核空间，然后把内核空间的数据copy到用户空间，供应用程序使用。
    写操作：用户的应用程序将数据从用户空间copy到内核空间的缓冲区中（如果用户空间没有相应的数据，则需要从磁盘—>内核缓冲区—>用户缓冲区依次读取），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或通过网络发送出去，由操作系统决定。除非应用程序显示地调用了sync命令，立即把数据写入磁盘，或执行flush()方法，通过网络把数据发送出去。
    绝大多数磁盘IO和网络IO的读写操作都是上述过程，除了后面要讲到的零拷贝IO。

3. 网络IO

网络IO的流程如下

 （1）读操作

网络IO的既可以从物理磁盘中读数据，也可以从socket中读数据（从网卡中获取）。当从物理磁盘中读数据的时候，其流程和磁盘IO的读操作一样。当从socket中读数据，应用程序需要等待客户端发送数据，如果客户端还没有发送数据，对应的应用程序将会被阻塞，直到客户端发送了数据，该应用程序才会被唤醒，从Socket协议找中读取客户端发送的数据到内核空间（这个过程也由DMA控制），然后把内核空间的数据copy到用户空间，供应用程序使用。