Java I/O模型及其底层原理

Java I/O是Java基础之一，在面试中也比较常见，在这里我们尝试通过这篇文章阐述Java I/O的基础概念，帮助大家更好的理解Java I/O。

在刚开始学习Java I/O时，我很迷惑，因为网上绝大多数的文章都是讲解Linux网络I/O模型的，那是我总是搞不明白和Java I/O的关系。后来查了看了好多，才明白Java I/O的原理是以Linux网络I/O模型为基础的，理解了Linux网络I/O模型再学习Java I/O就很方便了，所以这篇文章，我们先来了解I/O的基本概念，再学习Linux网络I/O模型，最后再看Java中的几种I/O。

什么是I/O？

I/O是Input、Output的缩写，即对应计算机中的输入输出，以一次文件读取为例，我们需要将磁盘上的数据读取到用户空间，那么这次数据转移操作其实就是一次I/O操作，更具体的说是一次文件I/O。我们浏览网页，其中在请求一个网页时，服务器通过网络把数据发送给我们，此时程序将数据从TCP缓冲区复制到用户空间，那么这次数据转移操作其实也是一次I/O操作，更具体的说是一次网络I/O。I/O到处都在，十分重要，Java对I/O对底层操作系统的各种I/O模型进行了封装，使我们可以轻松开发。

Linux网络I/O模型

根据UNIX网络编程对I/O模型的分类，UNIX提供了5种I/O模型，分别是：阻塞I/O（Blocking I/O）、非阻塞I/O（Non-Blacking I/O）、I/O多路复用模型（I/O Multiplexing）、信号驱动式I/O（Signal Driven I/O）、异步I/O（Asynchronous I/O）。我们逐步了解一下其基本原理。

阻塞I/O（Blocking I/O）

阻塞I/O是最早最基础的I/O模型，其在读写数据过程中会阻塞。通过下图我们可以看到，当用户进程调用了recvfrom这个系统调用后，内核开始第一阶段的数据准备工作，直到内核等待数据准备完成，然后开始第二阶段的将数据从内核复制到用户空间的工作，最后内核返回结果。整个过程中用户进程都是阻塞的，直到最后返回结果后才接触阻塞block状态。阻塞I/O模型适用于并发量小且对时延不敏感的系统。

非阻塞I/O（Non-Blacking I/O）

当用户进程调用recvfrom这个系统调用后，如果内核尚未准备好数据，此时不再阻塞用户进程，而是立即返回一个EWOULDBLOCK错误。用户进程会不断发起系统调用直到内核中数据被准备好（轮询），此时将执行第二阶段的将数据从内核复制到用户空间的工作，然后内核返回结果。非阻塞I/O模型不断地轮询往往需要耗费大量cpu时间。

I/O多路复用模型（I/O Multiplexing）

I/O多路复用的优点在于单个进程可以同时处理多个网络连接的I/O,其基本原理就是select/epoll函数可以不断的轮询其负责的所有socket，当某个socket有数据到达时，就通知用户进程。

如下图所示，当用户进程调用select函数时，整个进程会被阻塞block住，但是这里的阻塞不是被socket I/O阻塞，而是被select这个函数阻塞。同时内核会监听改select负责的所有socket（这里的socket一般设置为non-blocking），当任何一个socket中的数据准备好时，select就会返回给用户进程，这时候用户进程再此发起一个系统调用，将数据从内核复制到用户空间，并返回结果。

对比I/O多路复用模型和阻塞I/O模型的流程，多路复用多了一个系统调用来完成select环节，除此之外没有太大的不同。Select的优势在于它可以同时处理多个connection，但是会多一个系统调用。多路复用本质上也不是非阻塞的。

信号驱动式I/O（Signal Driven I/O）

首先我们开启socket的信号驱动I/O功能，然后用户进程发起sigaction系统调用给内核后立即返回并可继续处理其他工作。收到sigaction系统调用的内核在将数据准备好后会按照要求产生一个signo信号通知给用户进程。然后用户进程再发起recvfrom系统调用，完成数据从内核到用户空间的复制，并返回最终结果。其基础原理图示如下：

异步I/O（Asynchronous I/O）

用户进程向内核发起系统调用后，就可以开始去做其他事情了。内核收到异步I/O的系统调用后，会直接retrun，所以这里不会对用户进程有阻塞。之后内核等待数据准备完成后会继续将数据从内核拷贝到用户空间（具体动作可以由异步I/O调用定义），然后内核回给用户进程发送一个signal，告诉用户进程I/O操作完成了，整个过程不会导致用户请求进程阻塞。

信号驱动I/O模型是内核通知我们可以发起I/O操作了，而异步I/O模式是内核告诉我们I/O操作已经完成了。

以上就是Linux的5种网络I/O模型，其中前4中都是同步I/O模型，他们真正的I/O操作环节都会将进程阻塞，只有最后一种异步I/O模型是异步I/O操作。

Java中的I/O模型

在JDK1.4之前，基于Java的所有socket通信都是使用阻塞I/O（BIO），JDK1.4提供了了非阻塞I/O（NIO）功能，不过虽然名字叫做NIO，实际底层模型是I/O多路复用，JDK1.7提供了针对异步I/O（AIO）功能。

BIO

BIO简化了上层开发，但是性能瓶颈问题严重，对高并发第时延支持差。

基于消息队列和线程池技术优化的BIO模式虽然可以对高并发支持有一定帮助，但是还是受限于线程池大小和线程池阻塞队列大小的制约，当并发数超过线程池的处理能力时，部分请求法务继续处理，会导致客户端连接超时，影响用户体验。

NIO

NIO弥补了BIO的不足，简单说就是通过selector不断轮询注册在自己上面的channel，如果channel上面有新的连接读写时间时就会被轮询出来，一个selector上面可以注册多个channel，一个线程就可以负责selector的轮询，这样就可以支持成千上万的连接。Selector就是一个轮询器，channel是一个通道，通过它来读取或者写入数据，通道是双向的，可以用于读、写、读和写。Buffer用来和channel交互，数据通过channel进出buffer。

NIO的优点是可以可靠性好以及高并发低时延，但是使用NIO的代码开发较为复杂。

AIO

AIO，或者说叫做NIO2.0，引入了异步channel的概念，提供了异步文件channel和异步socket channel的实现，开发者可以通过Future类来表示异步操作的结果，也可以在执行异步操作时传入一个channels，实现CompletionHandler接口作为回调。AIO不用开发者单独开发独立线程的selector，异步回调操作有JDK地城思安城池负责驱动，开发起来比NIO简单一些，同时保持了高可靠高并发低时延的优点。

参考：

https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

https://juejin.im/post/5cce5019e51d453a506b0ebf