Java IO 1 涉及到的底层概念

Java io的接口经过了多次迭代，现在主要分为三部分,即java IO (since JDK1.0)，java NIO(since JDK1.4),java NIO2(since JDK1.7)。
那么java为什么要将IO的接口分成这三部分呢，这三部分的接口又有什么不同呢？
它们背后的底层原理是什么，要怎么样理解才比较好呢？常常听到的阻塞，非阻塞，同步，异步的概念，到底它们是什么，之间有什么区别？
本文将试着根据相关的文档，用自己的语言来解释这些问题，希望对你有所启发。

一 涉及的对象

1） 用户进程和操作系统内核

Java 中的IO可以理解为是在Java程序和操作系统内核两个对象之间进行的。
后面所说的阻塞和非阻塞，同步和异步都是这两个对象相互作用的结果。在本文中，用户进程指的就是Java程序。

2） 程序空间和内核空间

Waiting for the data to be ready(等待数据到达内核缓冲区)

Copying the data from the kernel to the process(从内核缓冲区拷贝数据到程序缓冲区)

在Linux中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到程序的程序缓冲区。

它首先会被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区。

程序空间：分配给用户程序的内存空间。

内核空间：内核拥有的内存空间。

3） 阻塞和非阻塞

阻塞：用户进程进行系统调用后，用户进程一直处于锁定的状态，不能进行其他操作

非阻塞：用户进程进行系统调用后，用户进程没有被锁定，可以进行其他操作

阻塞和非阻塞说的是用户进程的状态，即用户进程是否被锁定

4） 同步和异步

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes.
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

一个同步的io操作会导致发起请求的进程阻塞直到这个io操作完成。一个异步的io操作不会导致请求的线程被阻塞。

同步：用户线程和io线程做同一件事（用户线程被阻塞，等待内核返回处理结果）

异步：用户线程和io线程做不同的事情（用户线程不被阻塞，做其他的事情，内核处理完成发送结果给用户线程）

5） 文件描述符

在Linux下面一切皆文件。文件描述符(file descriptor)是内核为文件所创建的索引，所有I/O操作都通过调用文件描述符(索引)来执行，包括下面我们要提到的socket。Linux刚启动的时候会自动设置0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。

二 uninx五种IO模型

1） blocking IO(阻塞IO)

blocking-IO.png

调用过程：

1. 用户进程调用一个recvfrom请求，内核收到这个请求之后没有立即返回，而是首先等待数据到达。

2. 等数据到达之后，再进行数据拷贝，将数据从内核缓存区拷贝到用户进程缓存区，拷贝完成后返回给进程ok的消息。

上面整个过程都是阻塞的。

2） nonblocking IO(非阻塞IO)

noblocking-IO.png

调用过程：

1. 用户进程调用一个recvfrom请求，内核收到这个请求之后立即返回数据没有到达的消息。

2. 用户进程收到消息后继续发送recvfrom请求，如果数据仍没有到达，内核继续返回没有到达的消息。

3. 如此循环，直到数据到达内核。然后内核将收到的数据从内核缓存区拷贝到用户进程缓存区，拷贝完成后返回给进程ok的消息。

上面整个过程都是阻塞的。

3） IO multiplexing(IO复用) (select/poll/epoll)

IO-multiplexing.png

调用过程：

1. 用户进程通过调用select或poll或epoll去查询多个文件描述符的状态。

2. 如果有一个文件描述符准备好了，内核就返回该文件描述符可读的消息。

3. 用户进程调用一个recvfrom请求，内核收到请求后开始拷贝数据，将数据从内核缓存区拷贝到用户进程缓存区，拷贝完成后返回给进程ok的消息。

上面整个过程都是阻塞的。

4. signal driven IO(信号驱动IO)

signal-driven-IO.png

调用过程：

1. 设置socket为一个信号驱动IO，并且通过sigaction system call安装一个signal handler。

2. 数据准备好以后，一个SIGIO信号传送给用户进程通知数据已经准备好。

3. 然后用户进程调用一个recvfrom请求，内核收到请求后开始拷贝数据，将数据从内核缓存区拷贝到用户进程缓存区，拷贝完成后返回给进程ok的消息。

步骤1因为是瞬时完成的，可以认为是非阻塞的。步骤2，3是阻塞的。

5. asynchronous IO(异步IO)

asynchronous-IO.png

调用过程：

1. 用户进程发送一个aio_read的系统调用，内核立即返回响应。

2. 用户进程收到响应，可以继续做自己的事（非阻塞）。

3. 内核等待数据到达，完成数据拷贝后，发送消息给用户进程。

上面整个过程都是非阻塞的。

三 windowsIO模型

windwos IO模型感觉和linuxIO模型相似，感兴趣的同学可以看看这个

ps: 本文的图和英文引用部分来自参考文档3.中文引用部分来自文档1（参考文档写的比我好，建议大家多看看 :)）

参考文档：

1. Linux下的五种IO模型

2. 从内核文件系统看文件读写过程

3. Linux_Programming/UNIX Network Programming(Volume1,3rd).pdf

4. 使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能