Java后端面试高频问题：BIO、NIO、AIO的区别？

1.BIO、NIO、AIO的区别？

①BIO（blocking IO）

阻塞IO，即在读写数据的过程中会发生阻塞现象。

当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，操作系统就会将数据从内核空间拷贝到用户空间，并返回结果给用户线程，用户线程才解除阻塞状态。

（因为我们的用户程序只能获取用户空间的内存，无法直接获取内核空间的内存）

典型的阻塞IO模型的例子为：

data = socket.read();

如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法。

 

②NIO（nonblocking IO）

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时（数据未准备就绪），它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

典型的非阻塞IO模型一般如下：

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

但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

 

③AIO (异步IO Asynchronous IO)

在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。

而另一方面，从内核的角度，当它收到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何阻塞。

然后，内核会等待数据准备完成，再将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。

当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。

（也就说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求。)

也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用IO函数进行实际的读写操作。

 

2.IO多路复用 和 信号驱动IO？

①IO多路复用（IO multiplexing）

在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。

因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线 程和 进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。

单线程指的是网络请求模块使用了一个线程（所以不需考虑并发安全性），即一个线程处理所有网络请求，其他模块仍用了多个线程。

select：轮询所有的socket

poll：轮询所有的socket，但是和select相比，没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表存储的

epoll：只会轮询发生了IO请求的socket。虽然连接数有上限，但是很大，1G内存的机器上可以打开10W左右的连接；

 

I/O 多路复用模型是利用select、poll、epoll可以同时监察多个流的 I/O 事件的能力，在空闲的时候，会把当前线程阻塞掉，当有一个或多个流有I/O事件时，就从阻塞态中唤醒，于是程序就会轮询一遍所有的流（epoll是只轮询那些真正发出了事件的流），依次顺序的处理就绪的流，这种做法就避免了大量的无用操作。这里“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个线程。

采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络IO的时间消耗），且Redis在内存中操作数据的速度非常快（内存内的操作不会成为这里的性能瓶颈），主要以上两点造就了Redis具有很高的吞吐量。

总结：IO多路复用。“多路”指的是多个网络连接客户端，“复用”指的是复用同一个线程（单线程）。I/O多路复用是使用一个线程来检查多个socket的状态。在单个线程中通过记录跟踪每一个socket的状态来管理处理多个I/O流。

I/O多路复用模型是利用select、poll、epoll可以同时监察多个流的I/O事件的能力，在空闲的时候会把当前线程阻塞掉。当有一个或多个流有I/O事件时，就会从阻塞态中唤醒，于是程序就会轮询一遍所有的流（epoll只轮询那些真正发出了事件的流）。如果有多个socket需要处理，就将这些socket对象放在队列中，文件事件分派器逐个读取队列中的socket并将其分发给不同的事件处理器进行处理。

poll本质上和select没有区别， 但是poll没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的.

 

②信号驱动IO（signal driven IO）

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。

内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

信号驱动 I/O 的 CPU 利用率很高。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。

 

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