IO多路復用機制詳解
服務端編程需要構建高性能的IO模型，常見的IO模型主要有以下四種
- 同步阻塞IO
- 同步非阻塞IO 默認創建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket設置為NONBLOCK
- IO多路復用 經典Reactor設計模式，異步阻塞IO，select epoll
- 異步IO 異步非阻塞IO
同步與異步 用戶線程與內核的交互方式；同步是指用戶發起IO請求後，需要等待或者輪詢內核IO操作完成後才能繼續執行；異步是指用戶線程發起IO請求後繼續執行，當內核操作完成後會通知線程或者調用用戶線程註冊的回調函數
阻塞與非阻塞 用戶線程調用內核IO操作的方式；阻塞是指IO操作需要徹底完成後才返回到用戶空間，而非阻塞是指IO操作被調用後立即返回給用戶一個狀態值
同步阻塞IO
用戶線程通過系統調用read發起IO操作，由用戶空間轉到內核空間，內核等到數據包到達以後，將接受的數據拷貝到用戶空間，完成read，用戶需要等待read將socket中的數據讀取到buffer後，才繼續處理接收的數據，整個IO請求過程中，用戶線程是被阻塞的，導致用戶發起請求時，不能做任何事情，對CPU資源利用不夠。
同步非阻塞IO
同步非阻塞io，在同步阻塞io的基礎上，將socket設置為nonblock，用戶線程可以在發起io請求後立即返回；socket是非阻塞的方式，用戶線程發起IO請求時立即返回，但並未讀取到任何數據，用戶線程需要不斷發起IO請求，直到數據到達後，才真正讀取到數據，繼續執行；在整個IO請求的過程中，雖然用戶線程每次發起IO請求後可以立即返回，但是為了等到數據，仍需要不斷地輪詢、重複請求、消耗大量CPU資源，一般很少使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO
IO多路復用
IO多路復用，是建立在內核上提供的多路分離函數select基礎之上的，使用select函數可以避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題；用戶將需要進行IO操作的socket添加到select中，然後阻塞等待select系統調用返回。當數據到達時，socket被激活，select函數返回，用戶線程發起read請求，讀取數據並繼續執行。使用select函數進行IO請求與同步阻塞模型並無太大區別，甚至多添加監視socket，select函數額外操作，使用優勢主要在於用戶可以在一個線程內同時處理多個socket的IO請求，用戶可以註冊多個socket，然後不斷調用select讀取被激活的socket，即可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的，同步阻塞模型中，必須使用多線程。
使用select允許單線程內處理多個IO請求，但是每個IO請求的過程還是阻塞的，平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長，IO多路復用模型使用Reactor設計模式實現了這一機制，用戶線程只註冊自己感興趣的socket或者IO請求，去做自己的事情，等到數據到來時再進行處理，可以提高cpu利用率；EventHandler抽象類表示IO事件處理器，擁有IO句柄get-handle，以及對Handle的操作handle-event，繼承於EventHandler的子類可以對事件處理器的行為進行定製，Reactor類用於管理EventHandler註冊、刪除，並使用handle-events實現事件循環，不斷調用內核中的多路分離函數select，只要某個文件句柄被激活，select就返回，就會調用handle-event事件處理器進行操作。
通過reactor的方式，將用戶線程輪詢IO操作狀態的工作交給handle-even進行處理，用戶線程進行事件註冊之後進行其他工作（異步），而reactor線程負責調用內核select函數，當存在socket被激活時，通知相應的用戶線程，執行handle-event進行數據讀取、處理工作，由於select函數是阻塞的，所以多路IO復用也被稱為異步阻塞IO模型，socket是不被阻塞的，用戶發起IO請求時，數據已經到達，用戶線程一定不會被阻塞。其使用會阻塞線程的select系統調用，因此IO多路復用只能稱為異步阻塞IO，而非真正的異步IO。
異步IO
真正的異步IO，需要操作系統更強的支持，在IO多路復用中，事件循環將文件句柄的狀態事件通知給用戶線程，由用戶線程自行讀取數據、處理數據，而在異步IO模型中，當用戶線程收到通知時，數據已經被內核讀取完畢，並放在用戶線程指定的緩衝區內，內核在IO完成後通知用戶線程直接使用即可。異步模型使用Proactor設計模式實現這一機制。
Proactor和Reactor模式在結構上比較相似，在Client使用方式上差別較大，Proactor模式中，用戶線程將AO、Proactor以及操作完成時的CompletionHandler註冊到AOP。AOP使用Facade模式提供一組異步操作API供用戶使用，當用戶線程調用異步API後，便執行自己的任務。AOP會開啟獨立的內核線程執行異步操作，當異步IO完成時，AOP將用戶線程與AOP一起註冊的Proactor和CompletionHandler取出，然後將CompletionHandler與IO操作的結果一致轉發給Proactor，Proactor負責回調每一個異步操作事件完成處理函數handle-event，Proactor模式中每個異步操作都可以綁定一個proactor對象，一般操作系統中Proactor為單例模式，以便集中化分發操作完成事件。
異步IO模型中，用戶線程直接使用內核提供的異步IO API發起read請求，發起後立即返回，繼續執行用戶線程代碼。此時用戶線程已經將調用的AO與CH註冊到了內核，然後操作系統開啟獨立的內核線程去處理IO操作。當read請求的數據到達時，由內核負責讀取socket中的數據，並寫入用戶指定的緩衝區中。最後內核將read的數據和用戶線程註冊的CH分發給內部Proactor，Proactor將IO完成的信息通知給用戶線程，完成異步IO。
異步IO並不常見，高性能並發服務程序，使用IO多路復用模型+多線程任務處理的架構基本可以滿足要求，目前操作系統對異步IO的支持並非特別完善，更多的是採用IO多路復用模型模擬異步IO的方式，IO事件觸發時不直接通知用戶線程，而是將數據讀寫完畢後放到用戶指定的緩衝區中。
