JAVA IO模型

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。

首先，解释一下这里的阻塞与非阻塞：

阻塞IO，指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间，执行用户的操作。阻塞指的是用户空间程序的执行状态，用户空间程序需等到IO操作彻底完成。传统的IO模型都是同步阻塞IO。在java中，默认创建的socket都是阻塞的。

其次，解释一下同步与异步：

同步IO，是一种用户空间与内核空间的调用发起方式。同步IO是指用户空间线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则反过来，是指内核kernel是主动发起IO请求的一方，用户线程是被动接受方。

同步阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 是最简单的一种 I/O 模型。在这种模型下，I/O 操作会阻塞调用线程，直到操作完成。
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。

特点:

• 阻塞: 线程在发起 I/O 操作时会被阻塞，直到 I/O 操作完成（即数据被读入或写入）。
• 简单易用: 编程模型简单，容易理解和实现。
• 效率问题: 当有多个 I/O 操作时，线程可能会因为等待 I/O 完成而浪费时间，从而导致性能瓶颈。

举例：BIO (Blocking I/O)

同步非阻塞 I/O

同步非阻塞 I/O 允许线程在发起 I/O 操作时立即返回，线程可以在 I/O 操作未完成时继续执行其他任务。

特点:

• 非阻塞: I/O 操作不会阻塞线程，线程可以继续执行其他任务。
• 轮询: 需要使用轮询机制（例如 select()）来检查 I/O 操作是否完成，从而确定是否可以读取数据。
• 复杂性: 编程模型比阻塞 I/O 复杂，需要显式地处理 I/O 操作的完成状态。
  举例：NIO (Non-blocking/New I/O)

过程：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。

比较：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。

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

I/O 多路复用 允许一个线程同时管理多个 I/O 操作。通过使用系统提供的多路复用机制，线程可以等待多个 I/O 操作的完成，而无需为每个操作创建一个独立的线程。

特点:

• 高效: 能够有效地管理多个 I/O 操作，避免了为每个连接创建线程的开销。
• 系统调用: 使用系统调用（如 select()、poll()、epoll()）来检查多个通道的状态。

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。

信号驱动 I/O

信号驱动 I/O 是一种基于信号的 I/O 模型，通过信号通知应用程序某个 I/O 操作已准备好。应用程序可以在接收到信号时执行相应的 I/O 操作。

特点:

• 信号通知: 使用信号（如 SIGIO）来通知应用程序 I/O 操作的完成或准备好。
• 操作系统依赖: 通常依赖于操作系统的特定实现，因此在不同平台上的可移植性较差。

异步 I/O

异步 I/O 允许应用程序发起 I/O 操作后，立即继续执行其他任务。当 I/O 操作完成时，系统会通知应用程序，并通常会调用一个回调函数来处理结果。

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。

举例：AIO (Asynchronous I/O)

特点:

• 非阻塞: 线程可以发起 I/O 操作后立即返回，异步 I/O 操作会在后台完成。
• 回调机制: 当 I/O 操作完成时，系统会调用注册的回调函数。
• 复杂性: 需要处理异步事件和回调函数，编程模型较为复杂。

总结

• 同步阻塞 I/O: 简单易用，但效率较低，容易造成线程阻塞。
• 同步非阻塞 I/O: 允许线程在 I/O 操作期间执行其他任务，但需要显式轮询。
• I/O 多路复用: 提高了对多个 I/O 操作的处理能力，适合高并发场景。
• 信号驱动 I/O: 使用信号通知 I/O 状态变化，但在不同操作系统上可移植性较差。
• 异步 I/O: 非常高效，通过回调机制处理 I/O 操作，适合处理大量并发任务。

参考：
程序员应该这样理解IO
如何完成一次IO
IO模型知多少
10 分钟看懂， Java NIO 底层原理