Java基础之IO模型

I/O

I/O（input / output） 即 输入/输出。

从计算机结构的角度来解读I/O。
根据冯·诺伊曼，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。

输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都输入外部设备。网卡、硬盘这种即可以作为输入设备也可以作为输出设备。
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。

从计算机结构的角度来看，I/O描述了计算机系统与外部设备之间的通信过程。

再从应用程序的角度来看I/O。
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）。并且用户空间的程序不能直接访问内核空间。

我们平时运行的应用程序都运行再用户空间，只有内核空间才能运行系统态级别的资源有关的操作，比如如文件管理、进程通信、内存管理等。就是说，我们要想进行IO操作，一定要依赖内核空间能力。

当要想执行IO操作，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统用请求操作系统帮忙完成。所以，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。

我们平时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）。
从应用程序的角度来看，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。就是说，应用程序实际只是发起了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，会发生两个步骤：

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。

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。这也是常用的5种IO模型。

Java中3种常见的IO模型

BIO（Blocking I/O）

BIO属于同步阻塞I/O模型

同步阻塞IO模型，应用程序发起read调用后，会一直阻塞，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

在客户端连接数量不高的情况下，没有问题，但，当面对十万甚至百万级别连接的时候，传统的BIO模型就无能为力了，所以，需要用更高效的I/O处理模型来应对更高的并发量。

NIO（Non-blocking/New I/O）

Java中的NIO是在Java 1.4引入，对应java.io包，提供了Channel，Selector,Buffer等抽象。NIO中的N理解为Non-blocking，不单纯是New，
它支持面向缓冲，基于通道的I/O操作方法，对于高负载、高并发的网络与应用，应使用NIO。
Java中的NIO可以看作为是I/O多路由复用。也有人认为，Java中的NIO属于同步非阻塞IO模型。
同步非阻塞模型

同步非阻塞IO模型中，应用程序会一直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。
但也同样存在着问题：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十分耗费CPU资源

这个时候，I/O多路由复用模型就登场了。

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。

支持IO多路复用的系统调用，有select，epoll… seclet系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都支持。

• select调用： 内核提供的系统调用，支持依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： linux2.6内核，属于select调用的增强版，优化了IO的执行效率。

IO多复用模型，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），也叫 多路复用器。 通过它，只要一个线程便可管理多个客户端连接，当客户端数据到了后，才会为其服务。

AIO（Asynchronous I/O）

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

异步IO是基于事件回调机制实现的，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。

至今来说AIO的应用还不广泛，Netty也尝试使用AIO，不过放弃了，原因是：使用AIO后，在Linux上的性能并没有提升多少。

总结（BIO,BIO,AIO有什么区别）

• BIO(Blocking I/O)：服务器实现模式为一个连接一个线程，客户端有连接请求时服务器就要启动一个线程进行处理，若这个连接不做任何操作还造成不必要的线程开销，可以通过线程池机制来改善。BIO方式适合连接数目小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，在JDK1.4以前时唯一的IO。
• NIO（NEW I/O）：服务器实现模式为一个请求一个线程，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理，NIO方式适合用于连接数目多且连接时间短（轻操作）的架构，如聊天服务器，并发局限于应用中，编程复杂，JDK 1.4之后开始支持。
• AIO（Asynchronous I/O）：服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的IO请求都是由操作系统先完成再通知服务器用其启动线程进处理，AIO适合用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程复杂，JDK 1.7开始支持。

经典例子解析理解

BIO: 来到厨房，开始烧水NIO，并坐在水壶面前一直等待水烧开。
NIO: 来到厨房，开AIO烧水，但不坐在水壶面前一直等，而去做其他事，然后每隔几分钟到厨房看一下有没有烧开。
AIO: 来到厨房，开始烧水，不一直等待水烧开，而是坐在水壶上面装个开关，水烧开之后它会通知我们。

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