io等待为什么引发cpu过高_搞懂IO(二)

    你一定不止在一个地方看到类似"cpu等待IO就绪，线程挂起..."的描述，不知你有没有想过CPU到底在
等待个啥，等待个寂寞吗？为什么CPU要等待呢？CPU不能参与吗？
首先，cpu有两种状态，用户态和内核态，cpu会根据需要在两种状态之间切换。
用户态和内核态的cpu有什么区别呢？
想想古时候的将军，他手里握有兵权，但是他调用军队是需要有兵符的，没有兵符，他就没办法调兵遣将。
没了兵符的将军就是一个普通老百姓，只拥有有普通公民的权利。所以，一个人有没有持有兵符，拥有的权限不一样。
一个人有兵符，你就是将军(将军态，类似内核态)，你就能调动军队资源；没有兵符，你就是一介布衣（布衣态，类似用户态），拥有普通权利而已。
cpu同理，内核态的cpu有较高的权限，它能调用一些高级别的资源，比如访问一些安全级别较高的地址空间。
其次，计算机中，存储是分结构的。
除此之外，主存(内存)这一层面内部同样进行了逻辑划分，分为用户空间和内核空间。
顾名思义，内核空间只有处于内核状态的cpu才能访问的。
一个军队里，将军不可能管理所有人，他会设立千夫长，百夫长来管理。
cpu同样将部分职责交给了另一个硬件，叫作DMA。
“读操作”时，DMA负责将数据从磁盘拷贝到内核空间，注意是拷贝不是移动。然后cpu再从内核空间拷贝到用户空间。
所以，cpu等待io就绪，在“读操作”时，等的就是DMA将数据从磁盘拷贝到内核空间。
为什么CPU要将它交给DMA搞，因为磁盘到内核空间的拷贝太慢了（想必你也知道不同级别的存储结构读写速度不一样），
CPU的时间很宝贵的，它应该去做一些价值更大的东西(马云爸爸的一秒钟也值很多钱)。

    在说到IO模型之前，先说说经常听到的阻塞，非阻塞，同步，异步这几个概念，它们是描述"某种操作"的，
并且这种操作一定是"耗时"的，否则没有意义。
经常容易混淆，在不同上下文中语意还有点不一样，这里就说说IO中的区别。
    如果你去营业厅办理业务，"办理业务"这个事情其实可以细分为再小粒度的事情，"等待轮到你"和"实际处理业务"两件小事情。
线程调用read()方法，这个方法里，其实包括"等待IO就绪"和"实际读"操作，再具体一点
就是"等待数据拷贝到内核空间"和"cpu将数据从内核空间拷贝到用户空间"。
    阻塞和非阻塞关注的是某个方法（方法其实内部包含更小粒度的方法）被调用后是否立刻返回，方法返回不等价于你要它完成的任务已经完成了。
你可能只是去营业厅取了个号，发现还没轮到你，你就回去继续做其它事情了。然后你就不管了吗？你得“轮询”时不时去营业厅看看是否轮到你办理业务啊，如果某次轮询发现到你了，于是你就把"实际处理业务"这件事情办理了，这才真正完成"办理业务"这件大事。
    所以，你可以说"办理业务"是个"非阻塞"操作。
如果有的营业厅没有取号系统，那就意味着你得干等了，你得把"等待轮到你"和"实际处理业务"两件事情一起处理了，才能继续做其它事情。在有取号系统营业厅中，你有没有发现其实你可以决定"办理业务"这件事情是"阻塞"和"非阻塞"的。
同理，对于socket io，你可以设置为是"阻塞"还是"非阻塞"模式(文件io在操作系统层面上不支持非阻塞，所以编程语言也没有文件io的非阻塞实现)。
实际上，相同数据量下，socket io在"等待io就绪"这件事情上肯定比文件io要长的多，因为socket io的源头数据一般在远程另一台主机上，网络传输需要一些时间，而文件io源头数据在本机。
    同步和异步关注的是"事情是否由调用者来做"。
在"办理业务"这件事情中，虽然细分为了"等待轮到你"和"实际处理业务"两件小事，但是当你时不时到营业厅
看是否轮到你，真正轮到你的时候，"实际处理业务"这件小事还是由你来做，这就得占用你的时间了，对于你来
说，"办理业务"这件事情还是得你来做，所以是"同步"操作；如果你将事情交给第二个人，说你帮我去营业厅办
点事，然后你自己去做其它事情，"办理业务"这件事情就变成异步操作了，你就只管问TA或者TA告诉你这件事
情完成没有。在IO中，就看"cpu将数据从内核空间拷贝到用户空间"这件事情是否由调用线程亲自执行，是说明
这是同步IO，如果交给其它线程执行，则是异步IO。
    终于可以进入正题了，linux下的IO模型。

    阻塞IO没什么可说的，是最基础的IO，这就像你去一个没取号系统的营业厅办事，只能干等，知道办理完，
才去做其它事情；或者你去一个有取号系统的营业厅，但是同样选择干等，直到处理完，因为你觉得你有大把
时间。
java中的BIO就是基于阻塞IO的。阻塞IO其实都是同步的～

非阻塞IO就是类似有取号系统的营业厅，允许你在"等待就绪"的时候，先去做其它事情，相当于给你个及时反馈，类
似方法立即有返回，你时不时轮询，如果"就绪"，在那次轮询时，就把"从内核空间拷贝数据到用户空间"的事情
做了，从而真正完成整件事情。发现没，非阻塞IO是同步的。

IO多路复用，其实是非阻塞IO的增强，相当于你同时去多个有取号系统的营业厅办理业务，除此之外，不用你去
每个营业厅看看是否轮到你了，而是被动通知轮到你，就像轮到你的时候，给你手机发了条短信或者通过小程序
给你发了条消息，你就去对应营业厅办理对应的业务，所以IO多路复用又叫作事件驱动。linux下IO多路复用的
具体实现有selet()，poll()，epoll()，java中1.4之后的NIO，就是基于此的再次实现（windows系统也
是支持IO多路复用）。发现没，IO多路复用虽然非阻塞，但是还是同步操作。
注意的一个地方就是IO多路复用支持的是非阻塞IO，操作系统层面上，socket io是有非阻塞模式的，文件io
没有，至于为什么，相同数据量socket io的"等待就绪"时间比文件 io长，所以IO多路复用是针对socket io
而非文件io的，像redis服务端处理客户连接的处理就是基于此。

异步IO相当于调用线程将IO操作交给其它线程了，也就是你让其它人去营业厅办理业务。

使用较少，暂不多说。