I/O模型
在開始NIO的學習之前，先對I/O的模型有一個理解，這對NIO的學習是絕對有好處的。我畫一張圖，簡單表示一下數據從外部磁盤向運行中進程的內存區域移動的過程：
這張圖片明顯忽略了很多細節，只涉及了基本操作，下面分析一下這張圖。
用戶空間和內核空間
一個計算機通常有一定大小的內存空間，如一台計算機有4GB的地址空間，但是程序並不能完全使用這些地址空間，因為這些地址空間是被劃分為用戶空間和內核空間的。程序只能使用用戶空間的內存，這裡所說的使用是指程序能夠申請的內存空間，並不是真正訪問的地址空間。下面看下什麼是用戶空間和內核空間：
1、用戶空間
用戶空間是常規進程所在的區域，什麼是常規進程，打開任務管理器看到的就是常規進程：
JVM就是常規進程，駐守於用戶空間，用戶空間是非特權區域，比如在該區域執行的代碼不能直接訪問硬件設備。
2、內核空間
內核空間主要是指操作系統運行時所使用的用於程序調度、虛擬內存的使用或者連接硬件資源等的程序邏輯。內核代碼有特別的權利，比如它能與設備控制器通訊，控制著整個用於區域進程的運行狀態。和I/O相關的一點是：所有I/O都直接或間接通過內核空間。
那麼，為什麼要劃分用戶空間和內核空間呢？這也是為了保證操作系統的穩定性和安全性。用戶程序不可以直接訪問硬件資源，如果用戶程序需要訪問硬件資源，必須調用操作系統提供的接口，這個調用接口的過程也就是系統調用。每一次系統調用都會存在兩個內存空間之間的相互切換，通常的網絡傳輸也是一次系統調用，通過網絡傳輸的數據先是從內核空間接收到遠程主機的數據，然後再從內核空間復制到用戶空間，供用戶程序使用。這種從內核空間到用戶控件的數據復制很費時，雖然保住了程序運行的安全性和穩定性，但是犧牲了一部分的效率。
最後，如何分配用戶空間和內核空間的比例也是一個問題，是更多地分配給用戶空間供用戶程序使用，還是首先保住內核有足夠的空間來運行，還是要平衡一下。在當前的Windows 32位操作系統中，默認用戶空間：內核空間的比例是1:1，而在32位Linux系統中的默認比例是3:1（3GB用戶空間、1GB內核空間）。
進程執行I/O操作的步驟
緩沖區，以及緩沖區如何工作，是所有I/O的基礎。所謂"輸入/輸出"講的無非也就是把數據移入或移出緩沖區。
進程執行I/O操作，歸結起來，就是向操作系統發出請求，讓它要麼把緩沖區裡的數據排干淨（寫），要麼用數據把緩沖區填滿（讀）。進程利用這一機制處理所有數據進出操作，操作系統內部處理這一任務的機制，其復雜程度可能超乎想像，但就概念而言，卻非常直白易懂，從上面的圖，可以總結一下進程執行I/O操作的幾步：
1、進程使用底層函數read()，建立和執行適當的系統調用，要求其緩沖區被填滿，此時控制權移交給內核
2、內核隨即向磁盤控制硬件發出命令，要求其從磁盤讀取數據
3、磁盤控制器和數據直接寫入內核內存緩沖區，這一步通過DMA完成，無需主CPU協助。這裡多提一句，關於DMA，可以百度一下，它是現代電腦的重要特色，它允許不同速度的硬件裝置來溝通，而不需要依賴於CPU的大量中斷負載，大大提升了整個系統的效率
4、一盤磁盤控制器把緩沖區填滿，內核隨即把數據從內核空間的臨時緩沖區拷貝到進程執行read()調用時指定的緩沖區
5、進程從用戶空間的緩沖區中拿到數據
當然，如果內核空間裡已經有數據了，那麼該數據只需要簡單地拷貝出來即可。至於為什麼不能直接讓磁盤控制器把數據送到用戶空間的緩沖區呢？最簡單的一個理由就是，硬件通常不能直接訪問用戶空間。
同步和異步、阻塞和非阻塞
有了上面對於I/O的理解，我們就可以理解一下同步和異步的區別了。
同步和異步的關注點是用戶線程和內核的交互方式。同步指的是用戶線程發起I/O請求後需要等待或者輪詢內核I/O操作完成後才能繼續執行；異步是指用戶線程發起I/O請求後仍然繼續執行，當內核I/O操作完成後會通知用戶線程，或者調用用戶線程注冊的回調函數。
阻塞和非阻塞的關注點是用戶線程調用內核操作的方式。阻塞是指I/O操作需要徹底完成後才返回到用戶空間，非阻塞是指I/O操作被調用後立即返回給用戶一個狀態值，無需等到I/O操作徹底完成。
同步阻塞I/O
同步阻塞I/O模型，最簡單的I/O模型，用戶線程在內核進行I/O操作時被阻塞。
同步阻塞I/O的操作為，用戶線程通過系統調用read()函數，發起I/O讀操作，由用戶空間轉到內核空間。內核等到數據包到達之後，然後將接收到的數據拷貝到用戶空間，完成read()操作。整個過程中，用戶線程需要等待read()函數將數據讀取到用戶空間緩沖區，才能夠繼續處理接收的數據。這將導致用戶線程發起I/O請求時，不能做任何事情，對CPU的資源利用率不夠。
同步非阻塞I/O
同步非阻塞I/O模型是建立在同步阻塞I/O模型的基礎上的，用戶線程發起I/O請求之後可以立即返回。
同步非阻塞I/O的操作，上面已經說了，用戶線程發起I/O請求之後立即返回，但此時並未讀取到任何數據，用戶線程需要不斷發起I/O請求，直到數據到達之後，才真正地讀到數據，繼續執行。整個過程中，用戶需要不斷地調用read()，嘗試是否可以讀取成功，讀取成功才繼續處理接收的數據。這樣，雖然用戶線程每次發起I/O請求後可以立即返回，但是這並沒有什麼意義，為了等到數據，仍然需要不斷輪詢、重復請求，消耗了大量的CPU資源，因此一般很少使用這種模型。
I/O多路復用
I/O多路復用模型是建立在內核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I/O模型中輪詢等待的問題。
I/O多路復用的操作位，用戶線程首先將需要進行的I/O操作添加到select中，然後阻塞等待select系統調用返回。當數據到達時，I/O操作被激活，select函數返回，用戶線程正式發起read()請求，讀取數據並繼續執行。
從流程上來看，使用select函數進行I/O請求和同步阻塞模型沒有太大區別甚至還多了添加監視I/O，以及調用select函數的額外操作，效率更差。但是，使用select函數以後的最大優勢就是可以在一個線程內同時處理多個I/O請求。用戶可以注冊多個I/O，然後不斷地調用select讀取被激活的I/O，即可達到在同一個線程內同時處理多個I/O請求的目的。而在同步阻塞模型中，用戶必須通過多線程的方式才能達到這個目的地。
然而，使用select函數的優點並不僅限於此。雖然上述方式允許單線程內處理多個I/O請求，但是每個I/O請求的過程還是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞I/O模型還要長。如果用戶線程只注冊自己感興趣的I/O請求，然後去做自己的事情，等到數據到來時再進行處理，那麼則可以提高CPU的利用率。
I/O多路復用模型是最常使用的I/O模型，但是其異步程度還不夠徹底，因為它使用了會阻塞線程的select系統調用。因此I/O多路復用模型只能稱為異步阻塞I/O，而非真正的異步I/O。
Java NIO2：緩沖區 http://www.linuxidc.com/Linux/2016-01/127770.htm