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何为 I/O?
I/O#xff08;Input/Output#xff09; 即输入#xff0f;输出 。
我们先从计算机结构的角度来解读一下 I/O。
根据冯.诺依曼结构#xff0c;计算机结构分为 5 大部分#xff1a;运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。 输入设备#xff08;比…I/O
何为 I/O?
I/OInput/Output 即输入输出 。
我们先从计算机结构的角度来解读一下 I/O。
根据冯.诺依曼结构计算机结构分为 5 大部分运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。 输入设备比如键盘和输出设备比如显示器都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备也可以属于输出设备。
输入设备向计算机输入数据输出设备接收计算机输出的数据。
从计算机结构的视角来看的话 I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。
我们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。
根据大学里学到的操作系统相关的知识为了保证操作系统的稳定性和安全性一个进程的地址空间划分为 用户空间User space 和 内核空间Kernel space 。
像我们平常运行的应用程序都是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的操作比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说我们想要进行 IO 操作一定是要依赖内核空间的能力。
并且用户空间的程序不能直接访问内核空间。
当想要执行 IO 操作时由于没有执行这些操作的权限只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。
因此用户进程想要执行 IO 操作的话必须通过 系统调用 来间接访问内核空间
我们在平常开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO读写文件 和 网络 IO网络请求和响应。
从应用程序的视角来看的话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负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。
当应用程序发起 I/O 调用后会经历两个步骤
内核等待 I/O 设备准备好数据内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。
有哪些常见的 IO 模型?
UNIX 系统下 IO 模型一共有 5 种同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。
这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。
Java 中 3 种常见 IO 模型
BIO (Blocking I/O)
BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。
同步阻塞 IO 模型中应用程序发起 read 调用后会一直阻塞直到内核把数据拷贝到用户空间。 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 I/O)
Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入对应 java.nio 包提供了 Channel , SelectorBuffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking不单纯是 New。它是支持面向缓冲的基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的网络应用应使用 NIO 。
Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。
跟着我的思路往下看看相信你会得到答案
我们先来看看 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。
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 多路复用模型中线程首先发起 select 调用询问内核数据是否准备就绪等内核把数据准备好了用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程数据从内核空间 - 用户空间还是阻塞的。 目前支持 IO 多路复用的系统调用有 selectepoll 等等。select 系统调用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。 AIO (Asynchronous I/O)
AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。
异步 IO 是基于事件和回调机制实现的也就是应用操作之后会直接返回不会堵塞在那里当后台处理完成操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。 目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO不过又放弃了。这是因为Netty 使用了 AIO 之后在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。
最后来一张图简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。
