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一文讓你了解透徹Java中的IO模型

更新時(shí)間：2023年05月04日 08:37:03 作者：小小小小明明明明明明明明

本文只是說明了IO模型，讓你了解IO模型是什么，怎么區(qū)分IO模型，以及分析了Java中的三種IO模型，本文是純理論知識(shí)，看完之后會(huì)讓你對(duì)IO有更加深刻的理解，感興趣的同學(xué)可以參考一下

什么是IO

IO（Input/Output），也就是輸入和輸出的簡(jiǎn)稱，從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的角度來看，IO，就是輸入數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)外，下面有一張十分經(jīng)典的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)圖，將計(jì)算機(jī)分為五大部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)置、輸出設(shè)備。

輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，輸出設(shè)備接收計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)。

所以，從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的角度來看IO，IO就是描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和外部設(shè)備之間通信的過程。

接下來我們?cè)購?strong>應(yīng)用程序的角度去了解一下IO：在操作系統(tǒng)中，為了保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，一個(gè)進(jìn)程的地址空間被劃分為了用戶空間（User space）和內(nèi)核空間（Kernel space） 。

那么什么是用戶空間，什么是內(nèi)核空間呢？

用戶空間是普通應(yīng)用程序可訪問的內(nèi)存區(qū)域。
內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問的區(qū)域，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，是受保護(hù)的內(nèi)存空間。

可以簡(jiǎn)單的理解為我們平常運(yùn)行的應(yīng)用程序，都是運(yùn)行在用戶空間中的，它沒有權(quán)限去進(jìn)行一些系統(tǒng)態(tài)級(jí)別的資源相關(guān)操作，比如文件管理、內(nèi)存管理、等等，這些操作都是要依賴內(nèi)核空間才能完成，也就是說，我們?nèi)绻胍M(jìn)行IO操作，一定是要依賴內(nèi)核空間的能力，并且這里需要注意一點(diǎn)：用戶空間的程序不能直接訪問內(nèi)核空間。

那么如果要發(fā)起一次IO操作，那應(yīng)該怎么辦呢？

當(dāng)我們需要執(zhí)行一次IO操作的時(shí)候，由于沒有執(zhí)行IO操作的權(quán)限，只能發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求操作系統(tǒng)來幫忙完成，所以用戶進(jìn)程想要執(zhí)行IO操作的話，必須通過系統(tǒng)調(diào)用來間接的訪問內(nèi)核空間，比如我們最常見的IO操作就是磁盤IO（讀寫文件）和網(wǎng)絡(luò)IO（網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和響應(yīng)）。

那么從應(yīng)用程序的視角去看IO的話，我們的應(yīng)用程序發(fā)起對(duì)操作系統(tǒng)的內(nèi)核發(fā)起IO調(diào)用（系統(tǒng)調(diào)用，注意只是調(diào)用），操作系統(tǒng)去負(fù)責(zé)內(nèi)核執(zhí)行具體的IO操作。（如果這段話不是很好理解，可以理解為調(diào)包，比如別人寫好了的工具類，我們不需要關(guān)注里面的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用它的方法就好了，這里我們的應(yīng)用程序就是發(fā)起了一個(gè)調(diào)用，但是真正執(zhí)行的還是我們的操作系統(tǒng)）

當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)起IO調(diào)用之后，會(huì)經(jīng)歷下面兩個(gè)步驟：（這里一定要記住這兩點(diǎn)，它和后面息息相關(guān)！）

內(nèi)核等待IO設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)
內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間

常見的IO模型

IO模型有很多種（比如在UNIX系統(tǒng)下，IO模型一共分為5種：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO、異步IO），本篇文章只講述Java中的IO模型，Java中的IO被分為三類：BIO、NIO、AIO。

BIO（Blocking IO）

BIO屬于同步阻塞IO模型，應(yīng)用程序發(fā)起read調(diào)用之后，會(huì)一直阻塞，直到內(nèi)核把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝至用戶空間。

BIO就是Java中最傳統(tǒng)的IO模型，相關(guān)的類和接口都在java.io這個(gè)包下面，因?yàn)楝F(xiàn)在用的人很少（后面看它的特點(diǎn)就知道為什么了），所以我們這里簡(jiǎn)單介紹一下它的一些特點(diǎn)就好了。

對(duì)高并發(fā)場(chǎng)景下對(duì)于線程資源的消耗較高，每一個(gè)連接需要使用一條線程單獨(dú)處理。
傳輸較小對(duì)象時(shí)存在頻繁的線程上下文切換等性能問題。

如何優(yōu)化

那么怎么去優(yōu)化這個(gè)BIO呢？

首先上面說了BIO的缺點(diǎn)之一就是它是有多少連接就需要多少線程的模型，但是對(duì)于用戶來說，打開一個(gè)連接，然后關(guān)閉一個(gè)連接是十分常見且頻繁的事情，而與之對(duì)應(yīng)的就是創(chuàng)建線程和銷毀線程，但是創(chuàng)建線程和銷毀線程對(duì)于操作系統(tǒng)來說是十分消耗資源的，所以想到的優(yōu)化就是使用線程池去進(jìn)行優(yōu)化BIO。

NIO的面世

但是BIO的模型決定了它的上限，它始終是同步阻塞的IO模型，阻塞就會(huì)導(dǎo)致不能使用單線程處理多個(gè)請(qǐng)求，所以這個(gè)時(shí)候就需要修改它的模型，將調(diào)用read()、write()方法不再是阻塞的，這樣就可以使用單線程處理多個(gè)請(qǐng)求，而這樣就不再是同步阻塞的IO模型了，也就是我們下面要說到的NIO了。

NIO（Non-blocking/New IO）

Java的NIO是Java1.4引入的，對(duì)應(yīng)的是java.nio包，提供了channel、selector、buffer等抽象。

Java中的NIO可以看作是IO多路復(fù)用模型，但是也有人認(rèn)為它是同步非阻塞IO模型，這里我們先簡(jiǎn)單介紹一下這兩種模型：

同步非阻塞IO模型

這個(gè)相比同步阻塞IO模型，同步非阻塞IO模型就是通過輪詢的方式，避免了一直阻塞。

但是從圖中也能看出問題所在，就是應(yīng)用程序不斷的進(jìn)行IO系統(tǒng)調(diào)用輪詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的這段時(shí)間，是十分消耗CPU資源的（說白話就是反復(fù)調(diào)用read操作）。

所以這個(gè)時(shí)候就引入了IO多路復(fù)用模型。

IO多路復(fù)用模型

在IO多路復(fù)用模型中，線程首先發(fā)起select調(diào)用，詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，等待內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，會(huì)返回一個(gè)ready調(diào)用，告訴你，我準(zhǔn)備好了，這個(gè)時(shí)候用戶線程再發(fā)起read調(diào)用。注意：read調(diào)用的過程依然是阻塞的（數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝至用戶空間這段時(shí)間） 。

IO多路復(fù)用模型通過無效的系統(tǒng)調(diào)用，減少了對(duì)CPU資源的消耗。

Java中的NIO

Java中的NIO，有一個(gè)十分重要的概念，就是選擇器（selector），也被稱為多路復(fù)用器，通過它就可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)線程管理多個(gè)客戶端連接（這里是不是和BIO就不一樣了，最大的優(yōu)化的點(diǎn)就在這里） 。當(dāng)客戶端數(shù)據(jù)到了之后，線程再為客戶端進(jìn)行服務(wù)。

下面給出一張JavaNIO的圖：

這張圖就能很好的說明了NIO的特點(diǎn)了。

AIO（Asynchronous IO）

AIO，也被稱為NIO 2.0，Java7中引入的異步IO模型，很多人都不理解非阻塞IO和異步IO到底有什么差別，其實(shí)異步IO就是基于事件和回調(diào)機(jī)制去實(shí)現(xiàn)的，也就是說用戶調(diào)用操作之后會(huì)立馬返回，不會(huì)阻塞，當(dāng)后臺(tái)處理完成，操作系統(tǒng)會(huì)通知相應(yīng)的線程進(jìn)行后續(xù)操作。