IO、NIO、IO多路复用

IO是什么？

IO分为两类，它们之间是有区别的，而且有很大的区别；

1. 文件系统的IO
也叫本地io，就是和磁盘或者外围存储设备进行读写操作，外围设备有USB、移动硬盘等等；

2. 网络的IO
将数据发送给对方 和 读取对方的数据就称为网络IO；

网络IO是如何连接的？

网络IO就是本机的应用程序对着内核的缓冲区读写的过程，发送数据时应用程序会将数据复制到内核态的写队列中，再由内核将数据复制到网卡，然后进行发送；读取数据则反过来，网卡接受到数据后将数据复制到内核态的读队列中，在通知应用程序来获取数据；

下面是一次网络读取内容的I/O示意图，数据先从外设（网卡）到内核空间，再到用户空间（JVM），最后到应用程序的一个过程。

上述一次I/O读取，所谓的阻塞和非阻塞体现在哪里呢？

Java最早期的版本的I/O就是这样实现的。当程序调用到读取I/O的时候，同步阻塞住程序，直到数据从网卡写入内核空间，在写入用户空间才返回数据，程序才可以继续进行。

BIO
BIO为同步阻塞IO，blocking queue的简写，也就是说多线程情况下只有一个线程操作内核的queue，当前线程操作完queue后，才能给下一个线程操作；

如图1所示，用户线程通过系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作。

用户线程使用同步阻塞IO模型的伪代码描述为：

{

read(socket, buffer);

process(buffer);

}

即用户需要等待read将socket中的数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，用户线程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够。

在BIO下，一个连接就对应一个线程，如果连接特别多的情况下，就会有特别多的线程，很费线程；在早期的时候，世界上的计算机还很少，网站也少，会上网的人更是寥寥无几，并发最高的时候也就几十上百个，所以当并发量不高的情况下，BIO也够用了；

NIO （流程图）
Non-blocking IO的简写，同步非阻塞IO，内核发生了变化，app访问内核的缓冲区时不会阻塞，但是返回值需要用户自己判断；如果连接数特别多的i情况下，就需要应用程序不停遍历，一个个进行状态的判断，询问是否有数据到达；

如图2所示，由于socket是非阻塞的方式，因此用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据到达后，才真正读取到数据，继续执行。

用户线程使用同步非阻塞IO模型的伪代码描述为：

{
    while(read(socket, buffer) != SUCCESS);
    process(buffer);
}

即用户需要不断地调用read，尝试读取socket中的数据，直到读取成功后，才继续处理接收的数据。整个IO请求的过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的CPU的资源。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

IO 多路复用

多路是指网络连接，复用指的是同一个线程

为什么有IO多路复用机制?

没有IO多路复用机制时，有BIO、NIO两种实现方式，但有一些问题

IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的，使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。

如图3所示，用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时，socket被激活，select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行。

从流程上来看，使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视socket，以及调用select函数的额外操作，效率更差。但是，使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket，然后不断地调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

用户线程使用select函数的伪代码描述为：

{

select(socket);

while(1) {

sockets = select();

for(socket in sockets) {

if(can_read(socket)) {

read(socket, buffer);

process(buffer);

}

}

}

}

其中while循环前将socket添加到select监视中，然后在while内一直调用select获取被激活的socket，一旦socket可读，便调用read函数将socket中的数据读取出来。

然而，使用select函数的优点并不仅限于此。虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求，然后去做自己的事情，等到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率。