Linux和Java中的I/O模型

旧城等待， 2022-11-25 13:30 94阅读 0赞

在了解Java中的I/O模型之前，我们来了解一下Linux中的I/O模型。

##### 用户空间和内核空间 #####

Linux为了保证系统安全，把内存分为了两种空间，分别是`用户空间`和`内核空间`。只有内核空间可以直接调用硬件（比如磁盘，网卡等）。

而我们一般的进程是在用户空间的，位于用户空间的进程是不能直接调用硬件的，而是通过系统调用来请求内核空间协助完成IO操作。

那内核空间是怎么协助的呢？内核空间会为每个IO设备维护一个缓冲区buffer（比如文件系统IO，就是页缓存page cache）。内核收到来自用户空间的进程的系统调用请求后，从IO设备中获取数据到buffer中，再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间。我们以读取数据为例，可以把它分为两个阶段：

*  准备数据：把数据从磁盘或网卡填充到内核空间的buffer里；
 *  拷贝数据：把数据从内核空间拷贝到用户空间。

##### 同步阻塞模型 #####

同步阻塞模型是最简单的IO模型，`准备数据`和`拷贝数据`这两个阶段都是阻塞的，所以说性能不高，应用场景也非常有限。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

##### 同步非阻塞模型 #####

同步非阻塞的意思是发出指令之后立即可以得到一个相应，不需要阻塞等待。通过`轮循`的方式不断去获取结果，如果得到了结果就进行下一步处理，否则继续轮循。缺点是过度浪费CPU资源。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### IO多路复用模型 #####

这里"复用"指的是：使用同一个线程，"多路"指的是：多个网络连接。使用`IO多路复用模型`只需要一个线程就可以操作多个网络连接。

Linux中，提供了`select`、`poll`、`epoll`三种接口函数来实现IO多路复用。Linux 2.4内核前主要是select和poll，自Linux 2.6内核正式引入epoll以来，epoll已经成为了目前实现高性能网络服务器的必备技术。尽管它们的使用方法不尽相同，但是本质上却没有什么区别。其中select和poll有一些缺陷，它们会随着IO连接性能的增加，性能不断下降。所以现在一般都是使用epoll。

当用户进程调用了epoll，那么进程会被等待，内核中一个或者多个FD（文件句柄，也叫做文件描述符，FileDescription，简称FD）就绪了，epoll就会返回。这个时候进程再进行下一步的拷贝数据阶段。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

##### 异步IO模型 #####

其实上述三种IO严格来讲都是“同步的”，因为尽管它们有些在第一阶段实现了IO的非阻塞，但第二阶段仍然都是阻塞的。

异步IO在两个阶段都是非阻塞的。所以又称为“异步非阻塞IO”。如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

##### Java中的BIO模型 #####

在Java 1.4以前，只有一种IO模型，就是BIO（Blocking-IO，阻塞IO）。所以当时Java在处理高并发时性能并不好，通常使用多线程+阻塞IO来实现Web Server，然后使用线程池协助。比如Tomcat就是基于这个原理。

BIO相关的类和接口就是我们在入门Java的时候通常会了解到的`InputStream`、`OutputStream`、`Reader`、`Writer`等等。

BIO虽然性能不高，但编程比较简单。如果你的程序对性能要求不大，可以考虑使用BIO。

##### Java中的NIO模型 #####

在Java 1.4的时候，JDK提供了对NIO的支持。NIO底层是使用的上述的“IO复用”模型，也就是基于epoll。事实上目前很多高性能的服务或框架都用到了epoll，比如nginx，redis，nodejs等等。

NIO主要有这三个概念：

*  Channel
 *  Buffer
 *  Selector

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个`Channel` 开始。 数据可以从`Channel`读到`Buffer`中，也可以从`Buffer` 写到`Channel`中。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
`Selector`允许单线程处理多个 `Channel`。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

##### Java中的AIO模型 #####

AIO即异步IO，Java AIO是在JDK 1.7引入的，也被称为NIO 2.0。JAVA AIO框架在windows下使用windows IOCP技术，在Linux下使用epoll多路复用IO技术模拟异步IO。

感兴趣的同学可以先看看这篇文章：[《Java aio 编程》][Java aio]。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221124/e2a768838b904fe0be81dce4b45d6d9c.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221124/4a19617e9ec844368348254dc9c99d41.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221124/1ffd59195f7148e181b90aeedb2f5499.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221124/250f7c1f62aa4886a8dec08e62333c6c.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221124/35aa2e487b8e473eb21e5e23061b151f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdjaGVuZ21pbmcx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221124/05b36f1ad92e450d8e11ce2834545280.png
[Java aio]: https://colobu.com/2014/11/13/java-aio-introduction/