Java IO模型详解

Java IO模型详解

一、I/O的定义

I/O 是 Input/Output 的首字母缩写，即输入/输出，它描述的是数据流动的过程。输入/输出是相对而言的。下面将从两个角度出发来进一步理解 IO：

1、计算机结构的视角

根据冯·诺依曼结构，计算机分为五大部分，分别是：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

输入设备（如鼠标键盘）和输出设备（如显示器）都属于外设（外部设备），而像硬盘、网卡这种既属于输入设备又属于输出设备。

从计算机的角度出发的话，操作系统将从输入设备读取到的数据写入到输出设备，这就是一次完整的 I/O 过程。

即 I/O 描述了计算机核心（CPU和内存）与外部设备之间的数据转移的过程。

2、应用程序的视角

我们都知道，应用程序作为一个文件保存在磁盘中，只有加载到内存中成为一个进程才能够运行。

为了确保操作系统的安全性和稳定性，操作系统会将内存分为 内核空间 和 用户空间，进行内存隔离。

而我们运行的应用程序都是运行在用户空间的，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。也就是说，我们想要进行 I/O 操作，就必须依赖内核空间的能力。但是，用户空间的程序是无法直接访问内核空间的。

这时我们就需要通过发起系统调用请求操作系统帮忙完成，所以应用程序想要执行 I/O 操作的话，必须通过调用内核提供的 系统调用 进行间接访问。

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

从应用程序的角度出发的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 I/O 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 I/O 操作。即强调的是通过向内核发起系统调用完成对 I/O 的间接访问。

上述过程换句话说即一次 I/O 操作实际上包含两个阶段：

• I/O 调用阶段：应用程序进程向内核发起系统调用
• I/O 执行阶段：内核执行 I/O 操作并返回
  • 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

二、Java 中3种常见的 I/O 模型

• 同步 I/O， 是用户线程发起 I/O 请求后需要等待或轮询内核 I/O 操作完成后才能继续执行。
• 异步 I/O，异步 IO 是用户线程发起 IO 请求后可以继续执行，当内核 IO 操作完成后会通知用户线程，或调用用户线程注册的回调函数。
• 阻塞 I/O，阻塞是指用户空间程序的执行状态，用户空间程序需等到 I/O 操作彻底完成。传统的 I/O 模型都是同步阻塞 I/O。在 Java 中，默认创建的 socket 都是阻塞的。
• 非阻塞 I/O，是指用户程序不需要等待内核IO操作完成后，内核立即返回给用户一个状态值，用户空间无需等到内核的 I/O 操作彻底完成，可以立即返回用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。

同步和异步是通信机制，阻塞和非阻塞是调用状态。

1、同步阻塞 I/O（BIO）

应用程序中进程在发起 I/O 调用后至内核执行 I/O 操作返回结果之前，若发起系统调用的线程一直处于等待（阻塞）状态，则此次 I/O 操作为阻塞 I/O 。

阻塞 I/O 简称 BIO（Blocking IO）

如上图，同步阻塞 I/O 模型中，当用户线程发出 I/O 调用后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而此时用户线程也就会处于阻塞状态，用户线程交出 CPU 。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户空间，并返回结果给用户线程，用户线程才会接触阻塞状态。

• BIO 的优点：

程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。用户线程基本不会占用 CPU 资源。

• BIO 的缺点：

一般情况下，一个线程维护一个连接成功的 IO 流的读写。在并发量小时是没有问题的，但在并发很大时，BIO 是非常消耗系统资源的，这是行不通的。

2、同步非阻塞 I/O（NIO）

应用程序中进程在发起 I/O 调用后至内核执行 I/O 操作返回结果之前，若发起系统调用的线程不会等待而是立即返回，则此次 I/O 操作为非阻塞 I/O 模型。

非阻塞 I/O 简称 NIO（Non-Blocking IO）

如上图，同步非阻塞 I/O 模型中，当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上得到了一个结果。如果结果是一个调用失败的信息时，此时代表数据还没有准备好，他就可以再次发送 read 操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么他就马上将数据拷贝给了用户线程，然后返回。

在同步非阻塞 I/O 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就是说同步非阻塞 I/O 模型不会交出 CPU ，而会一直占用 CPU。

即应用程序的线程需要不断的进行 I/O 系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，直到完成系统调用为止。

• NIO的优点：

每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

• NIO的缺点：

需要不断的重复发起 IO 系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。

★ I/O 多路复用模型

I/O 多路复用模型是目前使用得比较多的模型。Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型（IO Multiplexing），而 Java 中的 NIO 可以通过的 Selector（选择器）达到一个线程管理多个客户端连接的效果。

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。即在 read 调用之前会有一个 select 调用

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。

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。

3、异步非阻塞 I/O（AIO）

应用程序中在发起 I/O 调用后，用户进程立即返回，内核等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户进程缓冲区，最后发送信号告诉用户进程 I/O 操作执行完毕，则此次操作为异步 I/O。

异步 I/O 简称 AIO（Asynchronous I/O）

异步 I/O 真正实现了 I/O 全流程的非阻塞。用户线程完全不需要关心实际的整个 I/O 操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示 I/O 操作已经完成，可以直接去使用数据了。

4、BIO、NIO、AIO 适用场景

• 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，弹幕系统，服务器间通讯等。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。