Java IO模型

NIO

Java IO 模型
- 1. 什么是IO
- - 计算机结构角度
  - 应用程序角度
- 2. 常见的内存模型
- 3. Java中常见的IO模型
- - 3.1 BIO（Blocking I/O）
  - 3.2 NIO（Non-blocking/New I/O）
  - - 同步非阻塞 IO 模型
    - I/O 多路复用模型
  - 3.3 AIO（Asynchronous I/O）
  - 3.4 总结

Java IO 模型

1. 什么是IO

I/O（Input/Outpu）即输入／输出

计算机结构角度

I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程

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。

冯诺依曼体系结构

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。

应用程序角度

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 ）。

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：

内核等待 I/O 设备准备好数据
内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

2. 常见的内存模型

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
异步 I/O

这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。

3. Java中常见的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。

在这里插入图片描述
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。
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。

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。

I/O 多路复用模型

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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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