Java世界里的BIO，NIO，AIO

Posted 2020-11-27 董广明

  作为一名程序员，io知识是必不可少，其实一直在和io打交道，要么显示要么隐含给了操作系统，故做下关于io的记录。说io之前呢，先介绍什么叫同步异步丶阻塞非阻塞

1.  同步异步丶阻塞非阻塞

1.1 同步是指发出一个请求，在没有得到结果之前该请求就不返回结果，请求返回时，也就得到结果了。比如我经常用烧水壶烧水，没烧开前一直盯着水壶（等水开）。

1.2 异步是指发出一个请求后，立刻得到了回应，但没有返回结果，这时我们可以再处理别的事情(发送其他请求)，所以这种方式需要我们通过状态主动查看是否有了结果, 或者可以设置一个回调来通知调用者。比如烧水时，不需要盯着水壶等水开，也可以做别的事：玩电脑，每两三分钟（类似轮询任务）看看水开了没有，也可以给水壶设置响铃（信号通知，发邮件发短信），水开了通知了我（don’t call me，I call you）。

1.3  阻塞是指请求结果返回之前，当前线程会被挂起(被阻塞)，线程什么也做不了了，而非阻塞是指请求结果返回之前，当前线程没有被阻塞，仍然可以做其他事情。

2.  IO模型

一个io请求读操作，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间，所以整个过程可分为两个阶段：等待I/O数据准备好，这取决于IO目标返回数据的速度, 如网络IO时看网速和数据本身的大小；数据从内核缓冲区拷贝到进程内。

模型分类可分为以下几种：BIO，NIO，IO多路复用，AIO，我就一一简单介绍下

2.1  BIO

BIO，全称是Blocking I/O，中文名叫：阻塞 I/O，整个过程如图：

应用程序发送请求给内核，然后由内核去进行通信，在内核准备好数据之前这个线程是被挂起的，所以在两个阶段程序都处于挂起状态， 其 特点就是在IO执行的两个阶段都被block了 。

2.2 NIO

NIO，全称是Non-Blocking    IO，中文名字叫非阻塞IO，过程如图示：

发起第一次请求后，线程并没有被阻塞，它反复检查数据是否准备好，把原来大块不能用的阻塞时间分成了许多“小阻塞”(检查)，所以进程不断有机会被执行。这个检查有没有准备好数据的过程有点类似于“轮询”。其特点就是程序需要不断的主动询问内核数据是否准备好。第一个阶段非阻塞，第二个阶段阻塞。

2.3  IO多路复用（重点，此模型不少中间件都用到了）

IO多路复用(I/O Multiplexing)有select，poll，epoll等不同方式，它的优点在于单个线程可以同时处理多个网络IO。不同于NIO中轮询操作是用户线程进行的，而IO多路复用调用操作系统级别的select或poll或epoll模型，由系统进行监控IO状态。select轮询可以监控许多socket的IO请求，当有一个socket的数据准备好时就可以返回。多路复用IO过程图：

与NIO不同的是，select不是等到所有数据准备好才返回，而是只要有一个准备好就返回，它的强项在于可以同时处理多个连接。 其 特点是用户进程能同时等待多个IO请求，系统来监控IO状态，其中的任意一个进入读就绪状态，select函数就可以返回。 nio在java1.4才引入

2.4  AIO

AIO全称是Asynchronous I/O，中文名叫：异步 I/O，它是Java1.7 才引入。整个过程中，用户线程发起一个系统调用之后无须等待，可以处理别的事情。由操作系统等待接收内容，接收后把数据拷贝到用户进程中，最后通知用户程序已经可以使用数据了，两个阶段都是非阻塞的。整个过程如下图

Java中可通过以下两种方式实现：

一种是基于”回调”，我们可以实现CompletionHandler接口，在调用时把回调函数传递给对应的API即可；

一种是返回一个Future。处理完别的事情，可以通过isDone()可查看是否已经准备好数据，通过get()方法等待返回数据。

好了，暂且就写这么多，多多交流探讨

参考：

1.  OReilly.Java.I.O.2nd.Edition.May.2006

2.   Unix网络编程卷1（几种io模型）