IO五种模型详解

一 IO流-输入输出流

1.1 IO是什么

IO就是输入和输出的简称，从计算机组织架构理解，IO就是计算机核心（cpu和内存）与磁盘交互的过程。从磁盘读取数据到内存和把内存数据写回磁盘都是IO操作。应用程序的IO就是指将进程内部数据输出到外部，或将外部数据输入到进程内部

1.2 形式

• 字节流：操作byte类型数据，主要操作类是OutputStream、InputStream子类，不需要缓冲区，直接对文件进行操作
• 字符流：操作char类型数据，主要操作类是Writer和Reader的子类，使用缓冲区缓冲字符，不关闭流就不会输出任何内容
• 字节字符流转换类：OutputStreamWriter，将输出的字符流转化为字节流，InputStreamReader将输入的字节流转换成字符流

1.3 输入流输出流

• 输入流：输入流是指从进程外部将数据输入到进程内部，例如从磁盘读数据读到内存中
• 输出流：输出流是指从进程内部将数据输出到外部，例如从内存中读数据读到磁盘中

二 字节流比特流相互转换

2.1 字节流转换比特流

字节流转换为比特流，使用OutputStreamWriter，这里看到使用的是输出流，将字节流对象转化成比特流对象

public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("D:\\tiger\\JAVA学习笔记\\demo\\src\\main\\java\\com\\mianjing\\test.txt");
        OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file),"UTF-8");
        osw.write("这是一个大西瓜");
        osw.close();
    }

2.2 比特流转换成字节流

比特流对象转化成字节流对象，使用InputStreamReader

public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("D:\\tiger\\JAVA学习笔记\\demo\\src\\main\\java\\com\\mianjing\\test.txt");
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file),"UTF-8");
        char[] buf = new char[1024];
        int len = isr.read(buf);
        System.out.println(new String(buf,0, len));
        isr.close();
    }

三 同步异步&阻塞非阻塞

要了解常见的五种IO模型，必须搞清楚同步异步，阻塞非阻塞的概念

3.1 同步和异步

同步异步是描述被调用者的，具体概念如下：

• 同步：事件A调用事件B，事件B立刻执行要做的事，事件A可以得到本次调用的结果
• 异步：事件A调用事件B，事件B不一定立刻去做，但保证一定会做，A本次调用得不到结果，B做完了会通知A

3.2 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是描述调用者的，具体概念如下：

• 阻塞：事件A调用事件B，在事件B返回给他结果前不做其他事，就这么等着他
• 非阻塞：事件A调用事件B，事件B返回给他结果前继续做自己的事

3.3 同步异步和阻塞非阻塞

同步异步和阻塞非阻塞没有必然的联系，举个例子来解释一下他们的关系：例如面试中张三（调用方）通知李四（被调用方）面试事宜：

• 同步阻塞：张三打电话给李四请他准备面试，李四立刻准备，张三等着面试者准备好，两人开始面试
• 同步非阻塞：张三打电话给面试者请他准备面试，李四立刻准备，张三在他准备期间继续打电话给其他人安排面试，并不断确认这个李四准备好了没有，一旦准备好了就开始面试
• 异步阻塞：张三打电话给李四请他准备面试，并请李四准备好了给他回个电话，然后就不去联系其他面试者了，就这么等着李四准备，李四先吃完手头的饭，再洗个澡，然后准备面试的事，准备好了回电话给张三，面试开始
• 异步非阻塞：张三打电话给李四，请李四准备好了给他回个电话，他继续联系其他面试者，李四准备好了给他打电话，面试开始

四 五种IO模型

4.1 阻塞式IO模型

最常见的一种IO模型，在读写会发生阻塞现象。
当用户线程发送IO请求后，内核去查看数据是否就绪，如果没有就绪就等待数据就绪，用户线程此时会进入阻塞状态，交出cpu，等数据就绪好之后，内核将数据拷贝到用户线程，并将结果返回给用户线程，此时线程才会解除阻塞状态
例子：

data = socket.read();

如果数据没有就绪，线程就会一直阻塞在read方法

4.2 非阻塞式IO模型

当一个线程发起read请求时，不需要等待，可以直接得到一个结果，如果结果为error，就不断发起read请求，直到读到为止。
例子：

while(true){
	data = socket.read();
	if(data != error){
		break;
	}
}

坏处：
当数据未就绪时，非阻塞式IO不会释放cpu资源，而是一直不停地请求，会导致cpu占用飙高

4.3 IO多路复用模型

• 概念：IO多路复用模型中会有一个线程通过轮询的方式监听多个socket的状态，只有当某个socket有读写事件时，才会去处理该事件。
• 优点：因为只有一个线程，不需要为每个socket创建一个新的线程，因此大大减少了资源占用。
• 缺点：因为只有一个线程轮询，当某个socket有事件传来时则去执行该事件，执行完才继续轮询，那如果事件本身很复杂或者需要处理的时间很长，就容易导致其他事件迟迟得不到处理
• JAVA NIO：使用了多路复用技术，它是通过selector.select()去查询每个通道是否有事件到达，如果没有则会一直阻塞，因此这种方式会导致程序阻塞

4.4 信号驱动模型

• 概念：当用户线程需要进行读写操作时，给对应的socket发送一个信号，用户线程会继续执行，当数据就绪时，会给用户线程发一个信号，用户线程接收到信号后就会调用IO读写操作进行读写。可以看成是一种异步IO，实际还是同步IO模型。
• 用处：可以用在信号产生不是很频繁的地方，因为频繁的信号会使性能大大下降。那就很明显了，可以用在UDP中，因为UDP中只有两个信号：数据报到达套接字和套接字错误信号，那么每次接收到信号后我们很容易就可以判断我们需要做什么。而在TCP中，文件被分割成小的数据包，每个数据包都有校验信号，而且信号几乎没有告诉我们发生了什么事，因此无法使用这种模型

4.5 异步IO模型

• 概念：当用户线程发送read请求后，可以立刻去做别的事。从内核角度说，当收到asynchronous read之后，会立刻返回，表示read请求已经成功发起。然后内核等数据就绪，就会将数据拷贝到用户线程中，这个过程用户线程完全不用知道IO操作是如何进行的。
• 异步的体现：除了异步IO模型外，其余的IO模型都是同步的，在上面介绍信号驱动模型时，提到可以看成是一种异步IO，它的机制确实很像，为什么不是异步IO呢？因为无论是多路复用还是信号驱动模型，实际上都是需要用户线程自己去判别事件是否到达或者信号是什么？而不是像异步IO一样，做完了给你打个招呼而已，这里要重新回顾一样同步异步的概念，不能和阻塞和非阻塞混淆