Java IO模型总结

2021年11月16日 01:53 · 阅读 148

I/O简介

I/O是什么？

I/O（Input/Output）即输入/输出

计算机结构中的I/O

冯·诺依曼结构计算机分为5大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

输入设备（如键盘、鼠标）向计算机输入数据，输出设备（如显示器）接收计算机输出的数据。

从计算机结构来看，I/O描述了计算机系统与外部设备设备通信的过程。

程序中的IO

操作系统将可访问的内存空间分为两个部分，即用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space）。

用户空间是普通应用程序可访问的内存区域。
内存空间是操作系统内核访问的区域，独立于普通的应用程序，是受保护的内存空间。所有的系统资源管理都是在内核空间完成的，如内存管理、磁盘读写、进程通信。因此，用户进程要进行IO操作，必须通过系统调用（操作系统提供的服务接口） 间接访问内核空间。

我们接触最多的就是磁盘IO（读写文件） 和 网络IO（网络请求和响应），这里我们主要讲网络IO。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统内核执行具体的 IO 操作。

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

内核等待数据就绪
内核将数据从内核空间拷贝至用户空间

操作系统中的IO模型

在Linux (UNIX)操作系统中，共有5种IO模型，分别是：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动IO模型以及异步IO模型。

Java中2种常见的IO模型

BIO(Blocking IO)

BIO属于同步阻塞IO模型，应用程序发起read调用后，线程会阻塞，让出CPU，直到内核把数据拷贝到用户空间

同步阻塞.png

BIO的优点：

编程模型简单

BIO的缺点：

性能瓶颈低
资源开销大

服务端实现模式为一个连接对应一个线程，即客户端有连接请求时就需要启动一个线程进行处理。如果这个连接的客户端一直不发数据，那么服务端线程将会一直阻塞在 read 函数上不返回，也无法接受其他客户端连接。

在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

NIO(Non-blocking/New IO)

NIO是从Java1.4引入的IO API，对应java.nio包，提供了Channel,Selector,Buffer等抽象概念。标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

NIO是一种同步非阻塞的IO模型，也是IO多路复用的基础。

同步非阻塞IO模型

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，如果数据未能就绪，内核会返回一个错误值，而不是阻塞的等待。直到数据准备就绪，再开始处理。

同步非阻塞 (1).png

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

IO多路复用模型

IO多路复用.png

使用select函数进行IO请求与同步阻塞模型并无太大区别，，使用优势主要在于用户可以在一个线程内同时处理多个IO请求，用户可以注册多个socket，然后不断调用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。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都有支持

select 调用 ：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。

epoll 调用 ：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

NIO的优点：

性能瓶颈高
资源开销小

NIO的缺点：

编程模型复杂

对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO。

使用NIO != 高性能，当连接数<1000，并发程度不高或者局域网环境下NIO并没有显著的性能优势。

NIO并没有完全屏蔽平台差异，它仍然是基于各个操作系统的I/O系统实现的，差异仍然存在。使用NIO做网络编程构建事件驱动模型并不容易，陷阱重重。

推荐使用成熟的NIO框架，如Netty，MINA等。解决了很多NIO的陷阱，并屏蔽了操作系统的差异，有较好的性能和编程模型。