JavaIO流：模型

左手的ㄟ右手 2023-09-23 16:22 64阅读 0赞

> IO 的字面意思是读/写数据，IO 模型是读/写数据的方式。常用到的读/写数据方式有：同步阻塞 IO、同步非阻塞 IO、IO 多路复用、信号驱动、异步 IO
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> 本篇内容包括：Java IO 与 IO 模型、五种 IO 模型、三种 Java IO 模型。

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### 文章目录 ###

*   *  一、Java IO 与 IO 模型
     *   *   *  1、IO 与 IO 模型的关系
             *  2、IO 的流程
     *  二、五种 IO 模型
     *   *   *  1、同步阻塞
             *  2、非阻塞
             *  3、多路复用 IO
             *  4、信号驱动
             *  5、异步IO
     *  三、三种 Java IO 模型
     *   *   *  1、BIO
             *  2、NIO
             *  3、AIO
             *  4、适用场景分析

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## 一、Java IO 与 IO 模型 ##

#### 1、IO 与 IO 模型的关系 ####

提到 IO，就要说 IO 模型，否则就像学 Java，不讲面向对象一样，是很难全面的理解它的精髓的。

IO 的字面意思是读/写数据，IO 模型是读/写数据的方式。常用到的读/写数据方式有：同步阻塞 IO、同步非阻塞 IO、IO 多路复用、信号驱动、异步 IO

Java IO 的类库就是针对不同 IO 模型封装好的工具类。

Java IO 系统针对三种 IO 模型开发和工具类：

1.  BIO（同步阻塞 IO）
2.  NIO（同步非阻塞 IO 和 IO 多路复用）
3.  AIO（异步 IO）

这三个模型也是 Java IO 系统演化经历的三个阶段，不同 IO 模型的类库分别理解即可。

#### 2、IO 的流程 ####

在区分各种 IO 模型的区别之前，我们需要先了解一个 IO，在操作系统的层面究竟发生了哪些事情。注意，我们说的 IO 模型对 IO 的优化，都是基于读 IO。

假设我们需要等待 Socket 的数据，也就是说当前是一个读操作的 IO，那么在操作系统层面需要分为两步：

1.  等待数据被写入 Socket 的缓冲区中
2.  将 Socket 缓冲区中的数据拷贝到应用程序中

我们可以很容易的发现，第一步是由对方决定的，对方决定了什么时候把数据发送过来。第二步是由操作系统决定的，操作系统需要陷入内核态拷贝数据。

而我们的同步异步、阻塞非阻塞也是从这里出发的。

## 二、五种 IO 模型 ##

#### 1、同步阻塞 ####

在同步阻塞的 IO 模型中，在第一阶段（等待数据被写入 Socket 的缓冲区中），操作系统会把当前的进程设置为阻塞状态，直到缓冲区被写入数据这个进程才被唤醒。

这也就造成了一个问题，当操作系统把这个进程置为阻塞态的时候，这个进程就什么事都做不了了。

#### 2、非阻塞 ####

为了解决 “同步阻塞” 进程可能无期限阻塞的情况，于是产生了 “同步非阻塞”。

在这种 IO 模型中，如果发现这个 Socket 里面没有准备好的数据就返回一个错误，而不是把这个进程设置为阻塞状态。

也就是说我们可以轮询这个 Socket 查看有无准备好的数据。

#### 3、多路复用 IO ####

假设此时我们的服务器需要管理很多的 IO 请求，如果给每一个 IO 都分配一个进程/线程，自旋的等待有无数据到来，无疑是很浪费资源的。

如果我们用一个进程，轮询所有的 IO 请求，又会使 IO 的响应变得很慢。

因此，产生了多路复用 IO

多路复用 IO 就是用一条线程，同时监听多个 IO 请求，并且在有 IO 请求产生的时候返回。

注意，虽然我们的 IO 多路复用也会阻塞，但是这里的阻塞是应用层面的，也就是说在多路复用的方法上进行阻塞，而不是在操作系统层面去阻塞。

#### 4、信号驱动 ####

在以上的 IO 模型中，都是需要应用自己去询问 Socket 是否已经准备好了数据，而信号驱动就是由 Socket 主动告诉你有没有准备好数据。

这么做的好处在于第一阶段程序不需要任何的等待与轮询，只需要在收到了信号通知之后去处理这个 IO 即可。

#### 5、异步IO ####

在以上的四种 IO 操作中，无论第一个阶段是如何进行优化的，在第二阶段都需要陷入内核态来拷贝数据。

异步 IO 就是为了解决这个问题。

异步 IO 在解决了阻塞这个问题后，同样把陷入内核态来拷贝数据的时间也节省了。

这样，当程序需要进行 IO 的时候，只需要发出 IO 的请求，然后就可以继续执行后面的代码，直到 IO 完成操作系统会通知程序。

同样的，异步 IO 是非阻塞的。

## 三、三种 Java IO 模型 ##

#### 1、BIO ####

BIO 全称是 Blocking IO，是 JDK1.4 之前的传统 IO 模型，本身是同步阻塞模式。线程发起 IO 请求后，一直阻塞 IO，直到缓冲区数据就绪后，再进入下一步操作。针对网络通信都是一请求一应答的方式，虽然简化了上层的应用开发，但在性能和可靠性方面存在着巨大瓶颈，试想一下如果每个请求都需要新建一个线程来专门处理，那么在高并发的场景下，机器资源很快就会被耗尽。

BIO 通信模型图：

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#### 2、NIO ####

NIO 也叫 Non-Blocking IO 是同步非阻塞的 IO 模型。线程发起 IO 请求后，立即返回。同步指的是必须等待 IO 缓冲区内的数据就绪，而非阻塞指的是，用户线程不原地等待 IO 缓冲区，可以先做一些其他操作，但是要定时轮询检查 IO 缓冲区数据是否就绪。

Java 中的 NIO 是 new IO的意思。其实是 NIO 加上 IO 多路复用技术。普通的 NIO 是线程轮询查看一个 IO 缓冲区是否就绪，而 Java 中的 new IO 指的是线程轮询地去查看一堆 IO 缓冲区中哪些就绪，这是一种 IO 多路复用的思想。IO多路复用模型中，将检查 IO 数据是否就绪的任务，交给系统级别的 select 或 epoll 模型，由系统进行监控，减轻用户线程负担。

NIO主要有 buffer、channel、selector 三种技术的整合，通过零拷贝的 buffer 取得数据，每一个客户端通过 channel 在 selector（多路复用器）上进行注册。服务端不断轮询 channel 来获取客户端的信息。channel 上有 connect、accept（阻塞）、read（可读）、write(可写)四种状态标识。根据标识来进行后续操作。所以一个服务端可接收无限多的 channel。不需要新开一个线程。大大提升了性能。

NIO 通信模型图：

![img][img 1]

#### 3、AIO ####

AIO 是真正意义上的异步非阻塞 IO 模型。上述 NIO 实现中，需要用户线程定时轮询，去检查 IO 缓冲区数据是否就绪，占用应用程序线程资源，其实轮询相当于还是阻塞的，并非真正解放当前线程，因为它还是需要去查询哪些 IO 就绪。而真正的理想的异步非阻塞IO应该让内核系统完成，用户线程只需要告诉内核，当缓冲区就绪后，通知我或者执行我交给你的回调函数。

AIO 可以做到真正的异步的操作，但实现起来比较复杂，支持纯异步 IO 的操作系统非常少，目前也就 windows 是 IOCP 技术实现了，而在 Linux上，底层还是是使用的 epoll 实现的。

与 NIO 不同，当进行读写操作时，只需直接调用 API 的 read 或 write 方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入 read 方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将 write 方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。即可以理解为， read/write 方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 在 JDK1.7 中，这部分内容成为 AIO。

#### 4、适用场景分析 ####

BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4 以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。

AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。

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