四种主要的IO模型

在说IO前，我们来看一下操作系统进行读写的流程

例如：

Java客户端通过write系统调用将数据从用户缓冲区复制到内核缓存区，内核通过客户机网卡将数据发送出去；

服务器通过网卡接收数据至内核缓冲区，Java用户程序通过read系统调用将内核缓冲区中的数据读取至Java进程缓冲区

这是一个典型的系统调用流程

对于服务器IO编程来讲，常见的IO模型有4种

1. 同步阻塞IO

Blocking IO是指用户空间主动发起，需要等内核IO完成后才返回用户空间的IO操作，IO过程中用户进程处于阻塞状态

优点：应用程序开发简单

缺点：需要为每个连接配备一个独立的线程，一个线程维护一个连接IO操作；在高并发的情况下，需要大量的线程来维护连接，内存和线程切换的开销也会增大，性能低下

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2. 同步非阻塞IO

Non-Blocking IO指用户进程主动发起，不需要等内核IO完成就能立即返回用户空间的IO操作，IO过程中用户进程处于非阻塞状态

注意这里的NIO不是Java的NIO，Java NIO表示New IO

同步非阻塞在调用过程中，如果内核数据没数据的情况下回返回失败，有数据的情况下系统调用阻塞，直至数据复制完成；所以在内核数据没有准备好的情况下，用户线程需要不断的发起IO系统调用，如果准备好了，用户线程阻塞，复制数据至完成（简而言之，用户需要尝试N(N>=1)次后才能读到完整的数据） 

优点：内核在等待数据的过程中，系统IO调用能立即返回，用户线程不会阻塞

缺陷：需要不断轮询内核，占用CPU时间，所以高并发场景下，又是一个凉凉的方案，但是非阻塞这一点还是有价值的，可以基于这一点为基础做一些文章。

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3. IO多路复用

IO Multiplexing属于经典的Reactor模式实现，有时也称为异步阻塞IO

此模型有硬性的前提条件：即操作系统必须在硬件上支持多路分离的系统调用select、epoll

IO多路复用的流程如下：

1. 选择器注册

2. 就绪状态轮询

3. 用户线程获取就绪列表后，发起read系统调用

4. 复制完成

相比前两种，IO多路复用涉及两种系统调用：

a. IO操作的系统调用

b. select就绪查询系统调用 （这一点和NIO模型类似需要轮询）

JDK中Java NIO使用的就是多路复用模型

优点：一个选择器查询线程可以处理成千上万连接（解决了NIO模型的问题），用户线程无需创建大量的线程

缺点：本质上select/poll调用是阻塞式的，属于同步IO

 

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4. 异步IO

Asynchronous IO指用户胡进程变成被动接收者，内核空间称为主动调用者，当用户进程收到通知时，数据已被内核读取完毕并放在用户缓存区内

异步IO流程如下：

1. 用户线程发起read系统调用，立即可以去做其他事情，用户线程不阻塞

2. 内核IO进行数据准备至用户缓冲区

3. 内核给用户线程发送信号或进行回调方法，告知用户线程read系统调用已经完成

4. 用户线程读取用户缓冲区数据，完成后续业务操作

优点：相比上述三种模型可以真正做到用户线程不阻塞

缺点：应用程序仅做了注册和接收，其余工作都给了操作系统，需要底层内核提供支持（其实事情还是那些事情，异步IO相当于把自己要做的事情外包给了操作系统，如果操作系统本身做的好，性能高于自己实现，那么可以说异步IO的性能更好，操作系统从内部去实现，理论上是性能更好的）

异步IO在Linux2.6版本引入，JDK支持一般的原因，导致目前较多的网络应用程序大多采用IO多路复用（例如Netty）