Java之IO/NIO五种模型必须了解的基础概念

Posted 2021-07-17 李子捌

Java IO/NIO

阻塞IO模型

最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求之后，内核回去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核就会将数据拷贝到用户线程，并且返回结果给用户线程，用户线程才能解除block状态。典型的阻塞IO模型如下：

// 如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法
data=socket.read();

非阻塞IO模型

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到一个结果。如果结果是一个error时，它就说明数据还没有准备好，于是它可以再次发送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，那么他马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断的询问内核数据是否就绪，也就是非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。典型的非阻塞IO模型一般如下：

// 伪代码，一直轮训知道数据准备就绪
// while循环需要不断的询问内核数据是否就绪，不会释放CPU因此会导致CPU占有率非常高，一般不会采用这种方式
while(true) {
    data = socket.read();
    if(data != error) {
        // TODO
        return;
    }
}

多路复用IO模型

多路复用IO模型是目前使用的比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮训多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占有。在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正读写事件发生才会占用资源来进行实际读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况

多路复用IO为何比非阻塞IO效率高

因为在非阻塞IO中，不断询问socket是通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮训每个socket状态时内核在进行的，这个效率要比用户线程高的的多。

多路复用IO的缺点

多路复用IO模型是通过轮训的方式来检查是否有事件到达，并且对到达的事件注意进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮训

信号驱动IO模型

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时就会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作

异步IO模型

异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其他事情。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就是说用户线程完全不需要参与实际的整个IO操作是如何进行的，只需要发起一个请求，当接收到内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。也就是说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是有内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点和信号驱动模型有所不同，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后还需要用户线程调用IO函数，进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用IO函数进行实际的读写操作。注意，异步IO是需要操作系统底层支持的，在Java7 中，提供了Asynchronous IO.