Java学习17（IO模型详解）

绝地灬酷狼 2024-03-22 09:01 24阅读 0赞

***1、何为IO?***

I/O`（Input/Outpu）` 即输入／输出 。

从计算机结构的角度来解读一下 I/O。

根据冯.诺依曼结构，计算机结构分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。  
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输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。

输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。

**从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程**。

我们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。

根据大学里学到的操作系统相关的知识：为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个`进程`的地址空间划分为 `用户空间（User space）` 和 `内核空间（Kernel space ）` 。

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们**想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力**。

并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。

当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 `系统调用` 来间接访问内核空间

我们在平常开发过程中接触最多的就是 `磁盘 IO（读写文件）` 和 `网络 IO（网络请求和响应）`。

**从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。**

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：  
1、内核等待 I/O 设备准备好数据  
2、内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

***2、有哪些常见的 IO 模型?***  
UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种： **同步阻塞 I/O**、**同步非阻塞 I/O**、**I/O 多路复用**、**信号驱动 I/O 和异步 I/O**。

这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。

***3、Java 中 3 种常见 IO 模型***

***3.1 BIO (Blocking I/O)***

`BIO` 属于**同步阻塞 IO 模型** 。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。  
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在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

***3.2 NIO (Non-blocking/New I/O)***

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 `Channel` , `Selector`，`Buffer` 等抽象类。

NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于**高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO** 。

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型?

我们先来看看 **同步非阻塞 IO 模型**。  
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同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，**等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的**，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：**应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的**。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。  
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IO 多路复用模型中，线程首先发起 `select` 调用，**询问内核数据是否准备就绪**，**等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用**。read 调用的过程（`数据从内核空间 -> 用户空间`）**还是阻塞的**。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

*  select 调用 ：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
 *  epoll 调用 ：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

**IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗**。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的`选择器 ( Selector )` 的概念，也可以被称为 `多路复用器`。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。  
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***3.3 AIO (Asynchronous I/O)***

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,**它是异步 IO 模型**。

异步 IO 是**基于事件和回调机制**实现的，也就是**应用操作之后会直接返回**，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。  
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目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。  
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