UNIX 系統下的 I/O 模型有 5 種：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路複用、信号驅動 I/O 和異步 I/O。這些名詞我們好像都似曾相識，但這些 I/O 通信模型有什麼差別？同步和阻塞似乎是一回事，到底有什麼不同？等一下，在這之前你是不是應該問自己一個終極問題：什麼是 I/O？為什麼需要這些 I/O 模型？
所謂的 I/O 就是計算機記憶體與外部裝置之間拷貝資料的過程。我們知道 CPU 通路記憶體的速度遠遠高于外部裝置，是以 CPU 是先把外部裝置的資料讀到記憶體裡，然後再進行處理。請考慮一下這個場景，當你的程式通過 CPU 向外部裝置發出一個讀指令時，資料從外部裝置拷貝到記憶體往往需要一段時間，這個時候 CPU 沒事幹了，你的程式是主動把 CPU 讓給别人？還是讓 CPU 不停地查：資料到了嗎，資料到了嗎……
這就是 I/O 模型要解決的問題。今天我會先說說各種 I/O 模型的差別，然後重點分析 Tomcat 的 NioEndpoint 元件是如何實作非阻塞 I/O 模型的。
Java I/O 模型
對于一個網絡 I/O 通信過程，比如網絡資料讀取，會涉及兩個對象，一個是調用這個 I/O 操作的使用者線程，另外一個就是作業系統核心。一個程序的位址空間分為使用者空間和核心空間，使用者線程不能直接通路核心空間。
當使用者線程發起 I/O 操作後，網絡資料讀取操作會經曆兩個步驟：
- 使用者線程等待核心将資料從網卡拷貝到核心空間
- 核心将資料從核心空間拷貝到使用者空間
各種 I/O 模型的差別就是：它們實作這兩個步驟的方式是不一樣的。
同步阻塞 I/O：使用者線程發起 read 調用後就阻塞了，讓出 CPU。核心等待網卡資料到來，把資料從網卡拷貝到核心空間，接着把資料拷貝到使用者空間，再把使用者線程叫醒。
同步非阻塞 I/O：使用者線程不斷的發起 read 調用，資料沒到核心空間時，每次都傳回失敗，直到資料到了核心空間，這一次 read 調用後，在等待資料從核心空間拷貝到使用者空間這段時間裡，線程還是阻塞的，等資料到了使用者空間再把線程叫醒。
I/O 多路複用：使用者線程的讀取操作分成兩步了，線程先發起 select 調用，目的是問核心資料準備好了嗎？等核心把資料準備好了，使用者線程再發起 read 調用。在等待資料從核心空間拷貝到使用者空間這段時間裡，線程還是阻塞的。那為什麼叫 I/O 多路複用呢？因為一次 select 調用可以向核心查多個資料通道（Channel）的狀态，是以叫多路複用。
異步 I/O：使用者線程發起 read 調用的同時注冊一個回調函數，read 立即傳回，等核心将資料準備好後，再調用指定的回調函數完成處理。在這個過程中，使用者線程一直沒有阻塞。
NioEndpoint 元件
Tomcat 的 NioEndpoint 元件實作了 I/O 多路複用模型，接下來我會介紹 NioEndpoint 的實作原理，下一期我會介紹 Tomcat 如何實作異步 I/O 模型。
總體工作流程
我們知道，對于 Java 的多路複用器的使用，無非是兩步：
- 建立一個 Selector，在它身上注冊各種感興趣的事件，然後調用 select 方法，等待感興趣的事情發生。
- 感興趣的事情發生了，比如可以讀了，這時便建立一個新的線程從 Channel 中讀資料。
Tomcat 的 NioEndpoint 元件雖然實作比較複雜，但基本原理就是上面兩步。我們先來看看它有哪些元件，它一共包含 LimitLatch、Acceptor、Poller、SocketProcessor 和 Executor 共 5 個元件，它們的工作過程如下圖所示。
LimitLatch 是連接配接控制器，它負責控制最大連接配接數，NIO 模式下預設是 10000，達到這個門檻值後，連接配接請求被拒絕。
Acceptor 跑在一個單獨的線程裡，它在一個死循環裡調用 accept 方法來接收新連接配接，一旦有新的連接配接請求到來，accept 方法傳回一個 Channel 對象，接着把 Channel 對象交給 Poller 去處理。