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Java|图解四大IO模型与原理

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IO模型 1. IO读写原理 无论是Socket的读写还是文件的读写，在Java层面的应用开发或者是Linux系统底层开发，都属于input和输出output的处理，简称为IO读写。在原理和处理流程上，都是一致的。区别在于参数的不同。
用户程序在进行IO的读写，基本都会调用到read&write两大系统调用。可能因为操作系统的不同，实现read&write两个功能的函数名称不同。
read系统调用，并不是直接将数据从物理设备读取到内存；write系统调用，也并不是直接将数据写入到物理设备。
read系统调用，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；write系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。这两个系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。底层数据的交换，是由操作系统kernel内核完成的。
1.1. 内核缓冲区与进程缓冲区
缓冲区的目的，是为了减少频繁的系统IO调用。大家都知道，系统调用需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束调用之后回来还需要恢复之前的信息，为了减少这种损耗时间、也损耗性能的系统调用，于是出现了缓冲区。
在linux系统中，系统内核有个缓冲区叫内核缓冲区。每个进程自己独立的缓冲区，称为进程缓冲区。
有了缓冲区，操作系统使用read函数把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，write函数把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区中。等待缓冲区中的数据达到一定数量的时候，再进行IO的调用，提升性能。读取和存储由系统内核来决定，用户程序不需要关心。
所以，用户程序的IO读写程序，大多数情况下，并没有实际的IO操作，而是在读写自己的进程缓冲区。
1.2. Java IO读写的底层流程
用户程序的IO读写，是数据在内核缓冲区和进程缓冲区之间的交换。
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一个典型的Java服务端处理网络请求的过程：
1）客户端请求
Linux通过网卡，读取客户端的请求数据，将数据读取到内核缓冲区。
2）获取请求数据
【Java|图解四大IO模型与原理】服务器从内核缓冲区读取数据到Java进程缓冲区。
3）服务器端业务处理
Java服务器端在自己的用户空间中，处理客户端的请求。
4）服务端返回数据
Java服务端已构建好的响应，从用户空间写入系统缓冲区。
5）发送给客户端
Linux内核通过网络IO，将内核缓冲区中的数据，写入网卡，网卡通过底层的通讯协议，会将数据发送给目标客户端。
2. 四种常见的IO模型 阻塞IO，指的是需要内核IO彻底完成之后才返回到用户空间，执行用户的操作。传统的IO模型都是同步阻塞IO，在Java中默认创建的socket都是阻塞的。
非阻塞IO，指的是用户程序不需要等待内核IO操作完成，内核会立即返回给用户一个状态值，用户空间无需等到系统的IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。
同步IO/异步IO，是一种用户空间与内核空间的调用发起方式。同步IO是指用户空间线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方，异步IO则反过来。
1） 同步阻塞IO (Blocking IO)
用户空间主动调用，且等待内核空间彻底执行完成才能返回执行用户空间的程序。
2）同步非阻塞IO (Non-blocking IO)
用户空间主动调用，不需要等待内核IO操作完成就能继续执行用户空间的程序。
3）IO多路复用（IO Multiplexing）
经典的Reactor设计模式，有时也被称之为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。
4）异步IO（Asynchronous IO）
内核空间主动调用，类似于Java中的回调模式，用户空间向内核空间注册各种IO时间的回调函数，由内核主动调用。
3. 同步阻塞IO 在Linux的Java进程中，默认情况下所有的socket都是blocking IO。在阻塞式I/O模型中，应用程序在从IO系统调用开始，一直到系统调用返回，这段时间都是阻塞的。返回成功后，应用程序开始处理用户空间的缓存数据。
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发起一个blocking socket的read读操作系统调用，流程大概是这样：
1）当用户线程调用了read系统调用，内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候kernel就要等到足够的数据到来。
2）当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后内核返回结果。
3）从开始IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。一直到kernel返回结果后，用户线程才解除block的状态，重新运行起来。
所以，blocking IO的特点就是在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被block了。
BIO的优点：
程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。用户线程基本不会占用CPU资源。
BIO的缺点：
一般情况下，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上BIO模型在高并发场景下是不可用的。
4. 同步非阻塞IO 在Linux系统中，可以通过设置socket使其变为non-blocking。NIO模型中应用程序在一开始IO系统调用，会出现一下两种情况：
1）在内核缓冲区没有数据的情况下，系统调用回立即返回，返回一个调用失败的信息。
2）在内核缓冲区有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲区复制到用户进程缓冲区。复制完成后，系统调用返回成功，应用程序开始处理用户空间的缓存数据。
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发起一个non-blocking socket的read读操作系统调用的流程：
1）在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。用户线程需要不断地发起IO系统调用。
2）内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它会将数据从kernel内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，然后kernel返回结果。
3）用户线程解除block状态，重新运行起来。经过多次尝试，用户线程终于真正获取到数据，继续执行。
NIO的特点：
应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到完成系统调用为止。
NIO的优点：
每次发起的IO系统调用，在内核的等待数据的过程中可以立即犯返回，用户线程不会阻塞，实时性较好。
NIO的缺点：
需要不断地重复发起IO系统调用，这种不断地轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的CPU时间，系统资源利用率较低。
总之，NIO在高并发场景下，也是不可用的。一般的Web服务器不适用这种IO模型。一般很少直接用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。
5. IO多路复用 如何避免同步非阻塞NIO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。
IO多路复用模型，就是通过一种新的系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核kernel能够通知程序进行相应的IO系统调用。
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支持，具有良好的跨平台特性。epoll是在Linux2.6内核中提出的，是select系统调用的Linux增强版本。
IO多路复用模型是基本原理就是select/epoll系统调用，单个线程不断地轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有数据到达了，就返回这些可以读写的连接。因此，通过一次select/epoll系统调用， 就查询到可以读写的一个甚至是成百上千的网络连接。
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发起一个多路复用IO的read读操作系统调用的流程：
1）进行select/epoll系统调用，查询可以读的连接。kernel会查询所有select的可查询的socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。当用户进程调用了select/epoll，那么整个线程会被block。
2）用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，然后kernel返回结果。
3）用户线程解除block的状态，继续执行。
多路复用IO的特点：
建立在操作系统kernel内核能够提供的多路分离系统调用select/epoll基础之上的。多路复用IO需要用到两个系统调用（system call），一个select/epoll查询调用，一个是IO的读取调用。
和NIO模型相似，多路复用IO需要轮询。负责select/epoll查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出可以进行IO操作的连接。
另外，多路复用IO模型与前面的NIO模型，是有关系的。对于每一个可以查询的socket，一般都设置成non-blocking模型。只是这一点，对于用户程序是无感知的。
多路复用IO的优点：
可以同时处理成千上万个连接，系统不必创建和维护线程，从而大大减小系统的开销。
多路复用IO的缺点：
本质上，select/epoll系统调用，属于同步IO，也是阻塞IO。都需要在读写时间就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
如何充分的解除线程的阻塞呢？那就是异步IO模型。
6. 异步IO 如何进一步提升效率，解除最后一点阻塞呢？这就是异步IO模型，全称asynchronous I/O，简称AIO。
AIO的基本流程是：用户线程通过系统调用，告知kernel内核启动某个IO操作，用户线程返回。kernel内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后续的业务操作。
kernel的数据准备是将数据从网络物理设备（网卡）读取到内核缓冲区；kernel的数据复制是将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
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发起一个异步IO的read读操作系统调用的流程：
1）当用户线程发起read系统调用，立刻就可以开始去做其他的事，用户线程不阻塞。
2）kernel内核开始准备数据，等数据准备好了，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
3）kernel会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程read操作完成了。
4）用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。
异步IO模型的特点：
在kernel内核的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block的。用户线程需要接受kernel的IO操作完成的事件，或者说注册IO操作完成的回调函数到操作系统的内核。所以说，异步IO有的时候，也叫做信号驱动IO。
异步IO模型缺点：
需要完成事件的注册与传递，这里边需要底层操作系统的大量支持，去做大量的工作。
目前来说，Windows系统下通过IOCP实现了真正的异步I/O。但是，就目前的业界形式来说。Windows系统，很少作为百万级以上或者更高并发应用的服务器的操作系统来使用。
而在Linux系统下，异步IO模型在2.6版本才引入，目前并不完善。所以，这也是在Linux下，实现高并发网络编程时都是以IO复用模型为主的原因。
7. 小结 四种IO模型，理论上越往后，阻塞越少，效率也是最优。在这四种I/O模型中，前三种属于同步IO，因为其中真正的IO操作将阻塞用户线程。只有最后一种，才是真正的异步IO模型，可惜目前Linux操作系统尚缺完善。

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