同步和异步怎么理解？

同步和异步描述的是调用方式。即如何获取到数据的。
调用方发起调用后，等待被调用方处理完数据后再将结果给到调用方。期间始终只有一个连接。这是同步。
调用方发起调用后，被调用方可以立即返回，结束这一次连接。被调用方计算出结果后，主动和调用方建立连接，将计算结果给到调用方。期间至少有两次连接。这是异步。

无论是从底层的IO角度，还是应用层的api调用等。均可以这样简单的理解。
从IO角度来说，区分同步异步很简单，如果是自己找内核拿的数据（只要内核使用recv函数读数据），那就是同步，如果是内核将数据直接送入调用方，就是异步。这里指的数据就是实实在在的数据，而不是状态。所以真异步应该是AIO。只要内核自己recv就不能保证每次被调用方数据都能准备好。

阻塞和非阻塞怎么理解？

描述的是调用时的状态，调用方调用后一直在等待被调用方返回消息，并且期间不能干别的事，只能等，就叫这个链接当前是阻塞的。如果调用方调用后，可以去干别的事，等到被调用方完成后，再以某种方式通知调用方，就叫非阻塞。
从底层的IO角度，或是应用程的API调用等，可以简单的这么理解。
从底层IO角度来看，区分阻塞和非阻塞，在于调用方线程有没有被挂起。挂起则是阻塞，没有则为非阻塞。BIO下recv必然导致挂起，等待返回数据。NIO下recv函数在内核没有准备好数据时会立即返回。

以上总结

同步异步说的是调用方获取数据的方式。
阻塞非阻塞说的是调用方的线程有没有被挂起，是否需要等待。

IO 模型和多路复用的关系？

一共有五种IO模型，其中多路复用 IO是其中一种。

  • blocking IO，BIO，同步阻塞IO
  • nonblocking IO，NIO，同步非阻塞IO
  • IO multiplexing，多路复用IO或MIO(同步非阻塞)
  • asynchronous IO，AIO，异步非阻塞IO
  • signal driven IO，SIO，很少用到，以下不做经验总结

    IO 模型

    我将尽量在各个IO模型中，将我的理解和学习总结，写出来，希望各位老哥能参与进来讨论和斧正。

    BIO

    线程若要使用硬件资源，就要使用socket向内核打交道，当线程调用recvform时，内核这个时候还没有准备好数据，于是线程挂起阻塞，一直等待内核准备好数据，准备好数据后，recvform将会把数据copy到buf中，由协议传给用户态的线程，recvform返回的是数据的字节数。即线程被阻塞了。
    这里的socket默认是阻塞的。

如果我们的服务，起了 10 个线程接收客户端的连接请求，如果是耗时操作，这 10 个连接会一直等待我们的服务将数据处理完毕，然后返回给客户端。这时如果再进来一个客户端，我们是服务不了的，要想再多服务几个客户端，就得多起几个线程。即每个客户端，都需要一个线程为其服务，以此满足并发情况。

优点：模式简单
缺点：无法同时满足大量连接请求，起多个线程将会消耗大量内存和CPU资源。体现在CPU单位时间内，CPU需要在每个时间片中分别执行各个线程的逻辑，线程越多，CPU需要切换执行的线程就越多，就会有更多的系统调用和切换成本。

BIO场景下，我们程序员无法解决，我们写的代码，起的线程，最终还是要跟内核打交道的。所以缺点无法被我们解决。只能从内核下手。然后就有了NIO。

NIO

设置非阻塞的socket跟内核打交道。使用非阻塞的socket打交道后，同BIO不一样的是，即使内核还没有准备好数据，也不会把用户线程挂起，而是会立即返回一个信号给线程，告诉它没有准备好数据。（在这里可以看出，线程是同步请求的内核，但是线程并没有被阻塞，所以NIO虽然简称为非阻塞，但也可以叫做同步非阻塞。）
接着线程会不停的继续调用recvfrom，直到内核把数据给弄回来。

NIO解决了一个线程只能为一个客户端服务的情况，可以有效减少线程抛出数量，达到减少因线程过多引起内存占用，和线程过多引起上下文切换的损耗。

优点：减少线程抛出数，间接减少内存和因线程过多引起的过多线程之间的上下文切换。
缺点：但是带来了一个新的问题，即轮询也会调用recvfrom，这个函数会发生系统调用，而系统调用本身是中断行为，会导致用户态与内核态的切换。切换就需要保存上下文。并且大多数为无效循环，recvfrom很有可能多次读不到数据。

即，减少线程之间的切换，转换为了轮询。系统消耗都差不多，仅只是抛出的线程减少了。然后就有了多路复用。此时轮询动作起始在用户态空间。

多路复用IO

三种实现方式

select

引入了select函数。
内核提供了select函数，该函数的作用，是监视所有socket（线程），哪个socket的数据被内核准备好了，就会通知对应的用户线程。调用此select函数的线程是阻塞的。
被通知到的用户线程，接收到通知后，需要再次调用recevfrom函数去内核取数据。

优点：在这里，没有了用户态空间的轮询，该轮询动作由内核态完成，大大减少了内核态和用户态之间的切换。
同时没有了NIO中的无效循环。
缺点：完成这种模式，至少需要两次系统调用，一次是select，一次是recevfrom。

上述select及BIO和NIO中所说的socket，为了简约逻辑，一笔带过了一些东西。即内核是怎么获得这些连接的?实际上是通过recvfrom和select函数中的参数传递过去的，由于linux系统中一切皆文件，所以调用这些函数，会将连接（文件描述符）也传递给内核。

缺点：

  1. 能传递的文件描述符有限，表明最大连接数有限，1024 个。
  2. 内核实际还是以轮询的方式查看这些连接的数据有没有准备好。轮询意味着O(N)。
  3. 1024 个文件描述符通过select函数调用内核，则意味着有很多数据要从内核态，拷贝到内核态。

    poll

    poll在select基础上，解决了第一个问题。例用链表结构装载文件描述符。select使用的是数组。

    epoll

    epoll利用事件回调解决轮询问题。使用用户态和内核态共享一块内存解决拷贝问题。
    IO 模型和多路复用总结 - 图1

    AIO为何不同和现状

    AIO是以上模型中唯一的异步IO模型。它的特点是不需要自己拿数据，内核处理好数据后，送过来（内核自己处理将内核态数据复制到用户态中），而不只是通知。
    在多路复用中，select/poll,epoll，是阻塞的。在AIO中，没有阻塞，是纯正的异步非阻塞IO模型。并且只有一次系统调用，即在请求时。

目前只有windows系统有AIO。JAVA中的AIO也只能在windows系统中完成，在Linux中JAVA的AIO还是使用的epoll的函数。Linux中的AIO接口还不成熟。