第十七章 java IO模型总结

IO模型

从计算机结构角度解读

IO就是输入/输出。
计算机结构分为五大部分：
运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备
CPU中包含控制器和运算器；CPU和存储器进行交互；而输入设备输入到计算机中；计算机通过输出设备输出。
IO描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程

从应用程序角度解读

操作系统需要保证稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为用户空间和内核空间
平时运行的应用程序都是运行再用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作。例如：
文件管理，进程同行，内存管理。
则如果要进行IO操作，一定要依赖内核空间的能力。但是用户空间的程序不能之间访问内核空间。如果要执行IO操作时，用户空间没有执行操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

结论：用户进程要执行IO操作的话，需要通过系统调用来间接访问内核空间。开发中较多的是：磁盘IO和网络IO。分别代表： 读写文件，网络请求和响应。从应用程序的视角来看，应用程序对操作系统的内核发起IO调用，就说发起了系统调用，操作系统负责的内核执行具体的IO操作。即应用程序实际上只发起了IO操作的调用，具体IO的执行是由操作系统的内核来完成。
应用程序发起IO调用的两个步骤：

1. 内核等待IO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

常见的IO模型

UNIX系统下，IO模型总共有五种：
同步阻塞IO，同步非阻塞IO，IO多路复用，信号驱动IO，异步IO

Java中常见的3种IO模型

BIO（Blocking）

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，直到内核把数据拷贝到用户空间
过程如下：
应用程序发起read调用，内核进行准备数据，数据就绪后进行拷贝数据，read调用进行返回。此时才解除阻塞。
如果客户端连接数量不高的情况，这样使用没问题。但是对十万或百万级的连接，传统的BIO不可行，需要更搞笑的IO处理模型来应对更高的并发量

NIO（Non-blocking也叫New）

IO多路复用模型。或者是同步非阻塞IO模型
NIO是Java1.4引入的，对应java.nio包。提供Channel,Selector,Buffer等抽象。支持面向缓冲的，基于通道的IO操作方法。对于高负载，高并发的应用，应该使用NIO

同步非阻塞IO模型 过程如下：
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，线程依然是阻塞的，直到内核把数据拷贝到用户空间。但应用程序调用read后，内核进行准备数据和数据就绪阶段，不阻塞。通过轮询操作，避免一直阻塞。
但是这种IO模型同样存在问题：应用程序不断进行IO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

IO多路复用模型 过程如下：
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，就是数据从内核空间到用户空间，这个阶段还是阻塞的。

当前支持IO多路复用的系统调用，有select，epoll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，有一个重要的选择器的概念，也叫做多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了后，才会为其服务。
过程如下：
服务器端有一个线程，即为选择器，可以连接多个通道，一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况 准备好后写入到缓冲区，客户端从缓冲区进行读取。

AIO （Asynchronous）

AIO就是NIO 2.Java 7引入了NIO的改进版，是异步IO模型
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，当后台处理完成，操作系统会通知响应的线程进行后续的操作。

过程如下：
应用程序调用read，直接得到read返回，不阻塞。等待内核通过准备数据，数据就绪，拷贝数据整个过程完成后，进行回调。