图解Java IO模型

Posted 2021-04-25 图解Java

对于 Java 的 IO 模型，对于大多数小伙伴都不陌生。但是想要准确的讲述这些 IO 模型之间的不同特点以及应用的范围，可能有一部分小伙伴很难讲清楚。在这篇文章中，我将尽可能清楚的讲述这些问题，希望对于坐在屏幕面前的你有一定的帮助。

在这篇文章中，我会先叙述 Linux 的 IO 模型，因为对于一些基本概念同步、异步、阻塞、非阻塞 Linux 和 Java 都是一致的，而且 Linux 的模型和 Java 的 IO 模型有相似的地方，或者说 Java 的 IO 模型有参考 Linux 的 IO 模型的地方。

Linux IO 模型

概念

内核态会涉及到一些比较底层或者比较危险的指令。如果对于用户开放的话，会造成比较危险的状况，所以用户不能直接调用这些指令。用户需要借助系统调用才能执行一些相关的操作。

同步/异步关注的是消息通信机制 。

同步：就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前， 该调用就不返回。异步：调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。

阻塞/非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞：指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞：指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

举个简单的例子。

淘宝双 11 活动，小图同学买了一本《图解 Java》的书，此时快递小哥正在派送快递的情景。

同步、异步

同步、异步一般发生在不同的线程/进程之间。如果调用者发起调用，能马上获得调用结果，这就是异步调用。如果不能马上获得结果，需要等待被调用的线程/进程一段时间，才能获得结果，这就是同步调用。

阻塞、非阻塞

阻塞、非阻塞一般发生在单个进程/线程中。当进程/线程想要进行 A 操作，但是不能立刻完成（需要其他的条件 C）。如果线程/进程一直等待，不执行其他的操作，即此时处于阻塞状态。如果该线程/进程又开始执行另外的操作 B，此时线程处于非阻塞状态。

Linux IO 模型

根据前面描述的内核态和用户态的相关概念。当应用程序发起文件调用的时候，用户态运行的程序必须委托系统调用来访问硬件和内存。这个过程主要分为两个阶段，等待数据和将数据从内核拷贝到用户空间。根据这两个阶段中，调用进程和内核进程的表现，分为五种模型。

阻塞 IO 模型：

调用进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成 。即应用程序调用一个 IO 函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。数据准备好后，从内核拷贝到用户空间，IO 函数返回成功指示。在整个调用过程中都是阻塞的。

非阻塞 IO 模型：

调用进程在等待数据的过程中，会不断轮询数据有没有准备好。数据准备好后，从内核拷贝到用户空间，IO 函数返回成功指示。在等待数据的过程中是非阻塞的；将数据从内核拷贝到用户空间是阻塞的。

IO 复用模型：

在非阻塞 IO 模型中，需要调用线程不断去轮询，检查数据有没有准备好，在这个过程中消耗了 CPU 大量的时间。如果有其他的线程帮助去检查多个线程数据的完成状态，这样会提高效率。

Linux 提供了select、poll和epoll帮助我们。一个线程可以对多个 IO 端口进行监听，当 socket 有读写事件时分发到具体的线程进行处理。

select、poll、epoll 区别总结：

	支持一个进程打开连接数	IO 效率	消息传递方式
select	32 位机器 1024 个，64 位 2048 个	IO 效率低	内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作
poll	无限制，原因基于链表存储	IO 效率低	内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作
epoll	有上限，但很大，2G 内存 20W 左右	只有活跃的 socket 才调用 callback，IO 效率高	通过内核与用户空间共享一块内存来实现

信号驱动式 I/O：

首先我们允许 Socket 进行信号驱动 IO,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

异步 IO 模型：

相对于同步 IO，异步 IO 不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到 socket 数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO 两个阶段，进程都是非阻塞的。