【Java】常见的IO模型

忘是亡心i 2023-01-13 01:58 147阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  I/O
     *   *  何为 I/O?
         *  有哪些常见的 IO 模型?
         *   *   *  同步阻塞 IO（Blocking IO）
                 *  同步非阻塞 IO（None Blocking IO）
                 *  IO 多路复用（I/O multiplexing）
                 *  异步 IO 模型（asynchronous IO）
     *  Java 中 3 种常见 IO 模型
     *   *  BIO (Blocking I/O)
         *  NIO (New I/O)
         *  AIO (Asynchronous I/O)
     *  阻塞和非阻塞IO
     *  异步和同步IO

## I/O ##

### 何为 I/O? ###

**从应用程序的角度来解读一下 I/O。**

根据大学里学到的操作系统相关的知识：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 ）** 。

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，**我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。**

并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。

当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

因此，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（网络请求和相应）**。

### 有哪些常见的 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**。

这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。

##### 同步阻塞 IO（Blocking IO） #####

在linux中的Java进程中，默认情况下所有的socket都是blocking IO。在阻塞式 I/O 模型中，应用程序在从IO系统调用开始，一直到到系统调用返回，这段时间是阻塞的。返回成功后，应用进程开始处理用户空间的缓存数据。

[![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70]][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70]

举个栗子，发起一个blocking socket的read读操作系统调用，流程大概是这样：

（1）当用户线程调用了read系统调用，内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。

（2）当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

（3）从开始IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。一直到kernel返回结果后，用户线程才解除block的状态，重新运行起来。

所以，blocking IO的特点就是在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被block了。

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，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上，BIO模型在高并发场景下是不可用的。

##### 同步非阻塞 IO（None Blocking IO） #####

在linux系统下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。NIO 模型中应用程序在一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：

（1）在内核缓冲区没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。

（2）在内核缓冲区有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，应用进程开始处理用户空间的缓存数据。  
[![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

举个栗子。发起一个non-blocking socket的read读操作系统调用，流程是这个样子：

（1）在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。用户线程需要不断地发起IO系统调用。

（2）内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

（3）用户线程才解除block的状态，重新运行起来。经过多次的尝试，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

NIO的特点：

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，继续轮询，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。

总之，NIO模型在高并发场景下，也是不可用的。一般 Web 服务器不使用这种 IO 模型。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。java的实际开发中，也不会涉及这种IO模型。

再次说明，Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一种模型，叫做IO多路复用模型（ IO multiplexing ）。

##### IO 多路复用（I/O multiplexing） #####

如何避免同步非阻塞NIO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。

IO多路复用模型，就是通过一种新的系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核kernel能够通知程序进行相应的IO系统调用。

目前支持IO多路复用的系统调用，有 select，epoll等等。select系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都有支持，具有良好跨平台特性。epoll是在linux 2.6内核中提出的，是select系统调用的linux增强版本。

IO多路复用模型的基本原理就是select/epoll系统调用，单个线程不断的轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有数据到达了，就返回这些可以读写的连接。因此，好处也就显而易见了——通过一次select/epoll系统调用，就查询到到可以读写的一个甚至是成百上千的网络连接。

举个栗子。发起一个多路复用IO的的read读操作系统调用，流程是这个样子：

[![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

在这种模式中，首先不是进行read系统调动，而是进行select/epoll系统调用。当然，这里有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到select/epoll的可查询socket列表中。然后，才可以开启整个的IO多路复用模型的读流程。

（1）进行select/epoll系统调用，查询可以读的连接。kernel会查询所有select的可查询socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。

当用户进程调用了select，那么整个线程会被block（阻塞掉）。

（2）用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

（3）用户线程才解除block的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

多路复用IO的特点：

IO多路复用模型，建立在操作系统kernel内核能够提供的多路分离系统调用select/epoll基础之上的。多路复用IO需要用到两个系统调用（system call）， 一个select/epoll查询调用，一个是IO的读取调用。

和NIO模型相似，多路复用IO需要轮询。负责select/epoll查询调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，查找出可以进行IO操作的连接。

另外，多路复用IO模型与前面的NIO模型，是有关系的。对于每一个可以查询的socket，一般都设置成为non-blocking模型。只是这一点，对于用户程序是透明的（不感知）。

多路复用IO的优点：

用select/epoll的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O多路复用技术的最大优势是：系统不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

Java的NIO（new IO）技术，使用的就是IO多路复用模型。在linux系统上，使用的是epoll系统调用。

多路复用IO的缺点：

本质上，select/epoll系统调用，属于同步IO，也是阻塞IO。都需要在读写事件就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

如何充分的解除线程的阻塞呢？那就是异步IO模型。

##### 异步 IO 模型（asynchronous IO） #####

如何进一步提升效率，解除最后一点阻塞呢？这就是异步IO模型，全称asynchronous I/O，简称为AIO。

AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，告知kernel内核启动某个IO操作，用户线程返回。kernel内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后续的业务操作。

kernel的数据准备是将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓冲区；kernel的数据复制是将数据从内核缓冲区拷贝到用户程序空间的缓冲区。

[![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NyYXp5bWFrZXJjaXJjbGU_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

（1）当用户线程调用了read系统调用，立刻就可以开始去做其它的事，用户线程不阻塞。

（2）内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

（3）kernel会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程read操作完成了。

（4）用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

异步IO模型的特点：

在内核kernel的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞)的。用户线程需要接受kernel的IO操作完成的事件，或者说注册IO操作完成的回调函数，到操作系统的内核。所以说，异步IO有的时候，也叫做信号驱动 IO 。

异步IO模型缺点：

需要完成事件的注册与传递，这里边需要底层操作系统提供大量的支持，去做大量的工作。

目前来说， Windows 系统下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O。但是，就目前的业界形式来说，Windows 系统，很少作为百万级以上或者说高并发应用的服务器操作系统来使用。

而在 Linux 系统下，异步IO模型在2.6版本才引入，目前并不完善。所以，这也是在 Linux 下，实现高并发网络编程时都是以 IO 复用模型模式为主。

**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。**

## Java 中 3 种常见 IO 模型 ##

### 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，直到在内核把数据拷贝到用户空间。[![图源：《深入拆解Tomcat & Jetty》][Tomcat _ Jetty]][Tomcat _ Jetty_Tomcat _ Jetty]

**因为每一次 read 应用程序都要阻塞等待内核准备好数据并且将数据拷贝到用户空间**，所以

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。

### NIO (New I/O) ###

**Java 的NIO不是指同步非阻塞，而是 I/O 多路复用**

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。它支持面向缓冲的，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

**I/O 多路复用模型**

[![img][]][img 1]

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，是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。

[![img][img 2]][img_img 2]

### AIO (Asynchronous I/O) ###

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

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。

[![img][img 3]][img_img 3]

目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

[![img][img 4]][img_img 4]

## 阻塞和非阻塞IO ##

阻塞和非阻塞强调的是**进程对于操作系统IO是否处于就绪状态的处理方式。**

上面已经说过，应用程序的IO实际是分为两个步骤，IO调用和IO执行。IO调用是由进程发起，IO执行是操作系统的工作。操作系统的IO情况决定了进程IO调用是否能够得到立即响应。如进程发起了读取数据的IO调用，操作系统需要将外部数据拷贝到进程缓冲区，在有数据拷贝到进程缓冲区前，进程缓冲区处于不可读状态，我们称之为操作系统IO未就绪。

进程的IO调用是否能得到立即执行是需要操作系统IO处于就绪状态的，对于读取数据的操作，如果操作系统IO处于未就绪状态，当前进程或线程如果一直等待直到其就绪，该种IO方式为阻塞IO。**如果进程或线程并不一直等待其就绪，而是可以做其他事情，这种方式为非阻塞IO。所以对于非阻塞IO，我们编程时需要经常去轮询就绪状态。**

## 异步和同步IO ##

我们经常会谈及**同步IO和异步IO。同步和异步描述的是针对当前执行线程、或进程而言，发起IO调用后，当前线程或进程是否挂起等待操作系统的IO执行完成。**

我们说一个IO执行是同步执行的，意思是程序发起IO调用，**当前线程或进程需要等待操作系统完成IO工作并告知进程已经完成，线程或进程才能继续往下执行其他既定指令。**

如果说一个IO执行是异步的，意思是该动作是由当前线程或进程请求发起，且**当前线程或进程不必等待操作系统IO的执行完毕，可直接继续往下执行其他既定指令。操作系统完成IO后，当前线程或进程会得到操作系统的通知。**

以一个读取数据的IO操作而言，在操作系统将外部数据写入进程缓冲区这个期间，进程或线程挂起等待操作系统IO执行完成的话，这种IO执行策略就为同步，如果进程或线程并不挂起而是继续工作，这种IO执行策略便为异步。

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