IO是什么？
I/O 是 Input/Output 的缩写，即输入/输出。在计算机中，I/O 是指计算机与外部设备之间的数据传输和交换。计算机通过输入设备（如键盘、鼠标等）接收输入信号，通过输出设备（如显示器、打印机等）输出处理结果。
I/O 操作是计算机系统中的一种基本操作，包括读取和写入数据。计算机通过 I/O 操作与外部设备进行通信，可以让计算机系统与外部世界进行交互。例如，当我们在计算机上打开一个文件时，计算机需要从硬盘上读取文件的数据并将其显示在屏幕上，这就是一个典型的 I/O 操作。
I/O 操作的速度通常比计算速度慢得多，因此 I/O 操作的优化是计算机系统中的重要问题之一。
IO的分类
IO的分类 通常用户进程中的一个完整IO分为两阶段：用户进程空间-->内核空间、内核空间- ->设备空间(磁盘、网络等)。IO有内存IO、 网络IO和磁盘IO三种，通常我们说的IO指的是后两者。
I/O按照设备来分的话，分为两种：一种是网络I/O，也就是通过网络进行数据的拉取和输出。一种是磁盘I/O,主要是对磁盘进行读写工作。
用户态和内核态
用户态和内核态是指计算机系统中不同的运行级别。操作系统和应用程序运行在不同的运行级别，操作系统运行在更高的内核态（Kernel Mode），而应用程序则运行在更低的用户态（User Mode）。下面是它们的一些区别：
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特权级别：内核态比用户态拥有更高的特权级别，可以执行更多的指令和访问更多的硬件资源。在内核态中，操作系统可以执行任何指令，包括直接访问硬件设备、修改内存映射等操作。
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系统调用：应用程序如果需要进行一些特权级别较高的操作，需要通过系统调用（System Call）来请求操作系统完成。系统调用会触发一个从用户态到内核态的转换，这个转换会带来一定的开销。
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调度：操作系统在内核态下进行进程调度和资源管理，而在用户态下则不会进行这些操作。当系统发生进程切换时，会从用户态切换到内核态，然后再切换到下一个进程的用户态。
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安全性：内核态的代码拥有更高的特权，因此需要更加谨慎和安全地编写，以避免出现安全漏洞。
网络传输的两个阶段
在网络传输中，通常有两个阶段，它们分别是：
- 连接建立阶段：在这个阶段，客户端和服务器之间会进行一些握手操作，以确保双方能够正确地进行通信。这个阶段的主要目的是建立一个可靠的数据传输通道，包括以下步骤：
- 客户端向服务器发送一个连接请求；
- 服务器接收到连接请求后，向客户端发送一个确认信息；
- 客户端接收到确认信息后，再向服务器发送一个确认信息；
- 服务器接收到客户端的确认信息后，连接建立成功。
- 数据传输阶段：在连接建立成功后，客户端和服务器之间就可以开始进行数据传输。这个阶段的主要目的是通过建立的连接，在客户端和服务器之间传输数据，包括以下步骤：
- 客户端向服务器发送数据；
- 服务器接收到数据后进行处理，并向客户端发送响应数据；
- 客户端接收到响应数据后进行处理，并可能再次向服务器发送数据。
在数据传输阶段，还有一个重要的概念是流量控制，这是指在数据传输过程中，控制数据的发送速率，以避免数据包的丢失、延迟和堵塞等问题。流量控制通常通过调整发送和接收数据的速率来实现。
IO模型分类
5种IO模型分别是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动的IO模型和异步IO模型。
- 阻塞式 I/O (Blocking I/O)：应用程序会一直等待数据到来，直到读取或者写入完成后才会继续执行下一步操作。这种方式需要等待 I/O 操作完成才能继续，因此会造成较大的延迟，但是代码简单易懂。
- 非阻塞式 I/O (Non-blocking I/O)：应用程序在发起 I/O 操作后，可以立即返回，而不必等待操作完成。应用程序可以不断地轮询 I/O 的状态，以判断操作是否完成，从而实现并发操作。但是轮询会占用 CPU 时间，造成资源浪费。
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I/O 多路复用 (I/O Multiplexing)：应用程序通过一个线程来同时监控多个 I/O 操作的状态，以决定哪些 I/O 操作已经完成，可以读取或写入数据。这种方式可以避免轮询带来的 CPU 资源浪费，但是需要额外的系统调用。
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信号驱动式 I/O (Signal-driven I/O)：应用程序通过向内核注册一个信号处理函数，当 I/O 操作完成时，内核会向应用程序发送一个信号。这种方式避免了轮询和阻塞，但是信号处理函数需要在所有线程中共享，因此会增加代码复杂度。
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异步 I/O (Asynchronous I/O)：应用程序在发起 I/O 操作后，可以立即返回，而不必等待操作完成。当 I/O 操作完成后，内核会通知应用程序，应用程序可以继续执行下一步操作。这种方式可以避免轮询和阻塞，但是需要操作系统和硬件的支持。
五种IO模型优缺点
下面是五种 I/O 模型的优缺点：
1. 阻塞式 I/O（Blocking I/O）：
优点：
- 代码简单易懂，易于实现和调试。
- 对系统资源的占用较少。
缺点：
- 会造成较大的延迟，因为应用程序必须等待 I/O 操作完成后才能继续执行下一步操作。
- 不适用于多线程或多任务的应用程序，因为一个线程或任务的阻塞会影响其他线程或任务的执行。
2. 非阻塞式 I/O（Non-blocking I/O）：
优点：
- 可以实现并发操作，应用程序可以不断轮询 I/O 的状态，以判断操作是否完成。
- 可以避免阻塞带来的延迟问题。
缺点：
- 轮询会占用 CPU 时间，造成资源浪费。
- 代码复杂度较高，需要进行错误处理和状态管理。
3. I/O 多路复用（I/O Multiplexing）：
优点：
- 可以同时监控多个 I/O 操作的状态，避免了轮询带来的 CPU 资源浪费。
- 应用程序可以处理多个 I/O 操作，提高了系统的并发性能。
缺点：
- 实现较为复杂，需要进行错误处理和状态管理。
- 对于大量的连接，会造成多路复用器的性能瓶颈。
4. 信号驱动式 I/O（Signal-driven I/O）：
优点：
- 可以避免轮询和阻塞，代码复杂度较低。
缺点：
- 信号处理函数需要在所有线程中共享，因此会增加代码复杂度。
- 对于大量的连接，会造成信号处理器的性能瓶颈。
5. 异步 I/O（Asynchronous I/O）：
优点：
- 可以避免轮询和阻塞，代码复杂度较低。
- 可以实现真正的并行操作，多个 I/O 操作可以同时进行，提高了系统的并发性能。
缺点：
- 需要操作系统和硬件的支持。
- 对于小数据量的 I/O 操作，可能会造成额外的开销。
综上所述，不同的 I/O 模型各有优缺点，需要根据实际情况选择适合的模型。例如，对于大量的连接，可以使用 I/O 多路复用或异步 I/O，而对于少量的连接，可以使用阻塞式 I/O 或非阻塞式 I/O。
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