IO

pone
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前言

Java IO知识体系

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从计算机结构的角度来解读 I/O

冯诺依曼体系 image.png 从计算机结构的视角来看，I/O描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

输入设备（如键盘）向计算机输入数据（其他来源 => 计算机程序），输出设备（如显示器）接收计算机输出的数据（计算机程序 => 其他出口）。

从应用程序的角度解读I/O

一个进程的地址空间划分为用户空间（User space）和内核空间。我们平时运行的应用程序都运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等，并且用户空间的程序不能直接访问内核空间。

当我们在程序中想要进行IO操作时，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

从应用程序视角看，我们的应用程序对操作系统的内核发起IO调用（系统调用），操作系统的内核负责执行具体的IO操作。

当应用程序发起I/O调用后，会经历几个步骤：

1.操作系统切换到内核态

2.内核等待I/O设备准备好数据

3.内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

常用概念

在了解IO模型清楚之前，我们先要弄清楚几个概念，比如同步&异步，阻塞&非阻塞含义

同步 & 异步

同步：调用方发起一个调用时，在没有得到结果前，该调用不会返回。换句话说，就是由"调用者"主动等待这个结果。

异步：与同步相反，调用发出后直接返回。换句话说，当一个异步调用发出后，"调用者"不会立刻得到结果，而是在调用发出后，"被调用者"通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数来处理这个调用。

同步和异步强调的是消息通信机制。换句话说，是否需要主动去跟踪。

阻塞 & 非阻塞

阻塞：线程发起一个调用时，在调用返回之前，线程会被阻塞，在这个状态下会交出当前CPU的使用权而暂停；也就是调用方会等待调用结果，调用阻塞了调用方的线程。

非阻塞：与阻塞相反，调用会立即返回，避免线程被阻塞。但返回的结果只是被调用方当前状态的值，实际使用时，调用方需要轮询，直到返回结果符合预期（数据准备好）。

阻塞和非阻塞强调的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

组合

同步阻塞

调用发出后，线程阻塞等待调用结果返回，这期间线程不能做其他事情

同步非阻塞

调用发出后，会立即返回，此时线程可以去做其他事情，但需要不断去询问调用结果是否就绪（比如IO调用，数据是否准备好）

异步阻塞

调用发出后，会立即返回，这期间线程会阻塞，直到"被调用方"告知调用完成。

异步非阻塞

调用发出后，会立即返回，这期间线程可以做其他事情，"调用方"处理完成自行通知或者处理。

BIO（Blocking I/O） 同步阻塞

特点

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Java早期版本中使用的I/O模型。在BIO模型中，一个Server对接N个客户端，在客户端连接后，为每个客户端都分配一个执行线程。在客户端发起IO操作时，如果操作未完成线程会一直阻塞，直到操作完成（即内核把数据拷贝到用户空间）。

同步体现：

阻塞体现：

优缺点

优点：

  • 简单易用：BIO模型的编程方式相对简单，易于理解和使用
  • 可靠性高：由于阻塞特性，IO操作的结果是可靠的

缺点：

  • 阻塞等待：当一个IO操作被阻塞时，线程会一直等待，无法执行其他任务，导致资源浪费。
  • 并发能力有限：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。
  • 由于I/O操作是同步的，客户端的连接需要等待服务器响应，会降低系统的整体性能。

应用场景

适用于连接数比较小且固定的架构，例如文件服务器或小型网站。不适用于高并发场景。

可以使用线程池进行改进，改进之后适合一些简单、低频、短链接的通信场景。

NIO

同步非阻塞IO

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同步非阻塞IO模型中，应用程序会一直发起系统调用查看IO操作是否完成，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

同步体现：

非阻塞体现：

优缺点

优点：

  • 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。

缺点：

  • 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

特点

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多路体现：

复用体现

优缺点
应用场景

AIO 异步IO模型

特点

优缺点

参考

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