02-IO介绍

1.IO的基本原理

用户程序进行IO的读写，依赖于底层的IO读写，基本上会用到底层的read&write两大系统调用。在不同的操作系统中，IO读写的系统调用的名称可能不完全一样，但是基本功能是一样的。

调用操作系统的read，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；而write系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。

2.几种主要的IO模型

1.同步与异步

• 同步： 同步就是发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回。
• 异步： 异步就是发起一个调用后，立刻得到被调用者的回应表示已接收到请求，但是被调用者并没有返回结果，此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。

同步和异步的区别最大在于异步的话调用者不需要等待处理结果，被调用者会通过回调等机制来通知调用者其返回结果。

同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则反过来，是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受方。

2.阻塞和非阻塞

• 阻塞： 阻塞就是发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
• 非阻塞： 非阻塞就是发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。

3.同步阻塞IO（Blocking IO）

在阻塞式IO模型中，Java应用程序从IO系统调用开始，直到系统调用返回，在这段时间内，Java进程是阻塞的。返回成功后，应用进程开始处理用户空间的缓存区数据。

阻塞IO的优点是：应用的程序开发非常简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。在阻塞期间，用户线程基本不会占用CPU资源。

阻塞IO的缺点是：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程；反过来说，就是一个线程维护一个连接的IO操作。在并发量小的情况下，这样做没有什么问题。但是，当在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并发应用场景下是不可用的。

4.同步非阻塞NIO（None Blocking IO）

在NIO模型中，应用程序一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：

（1）在内核缓冲区中没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。

（2）在内核缓冲区中有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，应用进程开始处理用户空间的缓存数据。

同步非阻塞IO的优点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

同步非阻塞IO的缺点：不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。

5.IO多路复用模型（IO Multiplexing）

通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用。

IO多路复用模型的优点：与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

IO多路复用模型的缺点：本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

6.异步IO模型（Asynchronous IO）

AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作。内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后续的业务操作。

在异步IO模型中，在整个内核的数据处理过程中，包括内核将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓冲区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区，用户程序都不需要阻塞。

7.理解

• 同步阻塞：安排了一份工作，一直盯着；
• 同步非阻塞：安排了一份工作，隔一段时间问一下。收到做完和没做完的返回；
• 多路复用：给多个人安排了工作，隔一段时间都问一下；
• 异步：安排了一份工作，然后就不管了，别人做好后告诉自己。

Netty框架，使用的就是IO多路复用模型，而不是异步IO模型。

核心在于同步异步，阻塞非阻塞的理解

同步: 简单理解为用户主动发起请求得到最终的数据
异步: 数据就绪且到用户区，系统回调推给用户进程

阻塞: 发起请求，就绪之后才返回
非阻塞: 发起请求，立马返回

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io分两步，一请求等待数据，二数据从内核到用户区

同步阻塞: 发起请求等上面两步完成

同步非阻塞: 发起请求，没数据立马返回，轮询监测是否有数据，有，执行数据从内核到用户区的拷贝（步骤二阻塞，步骤一监测非阻塞）

io复用: 发起请求，立马返回，专门一个角色来轮询判断所有的请求中是否有数据，有，则执行数据从内核到用户区的拷贝（此过程阻塞）

异步非阻塞: 发起请求，当数据准备就绪，且拷贝到用户区之后，回调

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前面三个都是同步，只有最后一个是异步

3.java NIO

从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为JavaNew IO类库，简称为JAVA NIO。New IO类库的目标，就是要让Java支持非阻塞IO。

“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。

Java NIO由以下三个核心组件组成：

• Channel（通道）
• Buffer（缓冲区）
• Selector（选择器）

1.NIO和OIO的对比

• OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。
• OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。
• OIO没有选择器（Selector）概念，而NIO有选择器的概念。

2.Channel（通道）

在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（Input Stream），另一个输出流（Output Stream）。通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。

在NIO中，同一个网络连接使用一个通道表示，所有的NIO的IO操作都是从通道开始的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取，也可以向通道写入。

3.Buffer（缓冲区）

应用程序与通道（Channel）主要的交互操作，就是进行数据的read读取和write写入。

通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道中。

4.Selector（选择器）

对多个文件描述符的监视

指的是一个进程/线程可以同时监视多个文件描述符（一个网络连接，操作系统底层使用一个文件描述符来表示），一旦其中的一个或者多个文件描述符可读或者可写，系统内核就通知该进程/线程。