Java io的接口經(jīng)過了多次迭代吼砂，現(xiàn)在主要分為三部分,即java IO (since JDK1.0)，java NIO(since JDK1.4),java NIO2(since JDK1.7)。
那么java為什么要將IO的接口分成這三部分呢瞧剖，這三部分的接口又有什么不同呢墅垮？
它們背后的底層原理是什么，要怎么樣理解才比較好呢意鲸？常常聽到的阻塞烦周，非阻塞，同步怎顾，異步的概念读慎，到底它們是什么，之間有什么區(qū)別槐雾？
本文將試著根據(jù)相關(guān)的文檔夭委，用自己的語言來解釋這些問題，希望對你有所啟發(fā)募强。

一 涉及的對象

1） 用戶進(jìn)程和操作系統(tǒng)內(nèi)核

Java 中的IO可以理解為是在Java程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核兩個(gè)對象之間進(jìn)行的株灸。
后面所說的阻塞和非阻塞，同步和異步都是這兩個(gè)對象相互作用的結(jié)果擎值。在本文中慌烧，用戶進(jìn)程指的就是Java程序。

2） 程序空間和內(nèi)核空間

Waiting for the data to be ready(等待數(shù)據(jù)到達(dá)內(nèi)核緩沖區(qū))

Copying the data from the kernel to the process(從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝數(shù)據(jù)到程序緩沖區(qū))

在Linux中鸠儿，對于一次讀取IO的操作屹蚊，數(shù)據(jù)并不會(huì)直接拷貝到程序的程序緩沖區(qū)厕氨。

它首先會(huì)被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)汹粤。

程序空間：分配給用戶程序的內(nèi)存空間命斧。

內(nèi)核空間：內(nèi)核擁有的內(nèi)存空間。

3） 阻塞和非阻塞

阻塞：用戶進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用后嘱兼，用戶進(jìn)程一直處于鎖定的狀態(tài)冯丙，不能進(jìn)行其他操作

非阻塞：用戶進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用后，用戶進(jìn)程沒有被鎖定遭京，可以進(jìn)行其他操作

阻塞和非阻塞說的是用戶進(jìn)程的狀態(tài)胃惜，即用戶進(jìn)程是否被鎖定

4） 同步和異步

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes.
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

一個(gè)同步的io操作會(huì)導(dǎo)致發(fā)起請求的進(jìn)程阻塞直到這個(gè)io操作完成。一個(gè)異步的io操作不會(huì)導(dǎo)致請求的線程被阻塞哪雕。

同步：用戶線程和io線程做同一件事（用戶線程被阻塞船殉，等待內(nèi)核返回處理結(jié)果）

異步：用戶線程和io線程做不同的事情（用戶線程不被阻塞，做其他的事情斯嚎，內(nèi)核處理完成發(fā)送結(jié)果給用戶線程）

5） 文件描述符

在Linux下面一切皆文件利虫。文件描述符(file descriptor)是內(nèi)核為文件所創(chuàng)建的索引，所有I/O操作都通過調(diào)用文件描述符(索引)來執(zhí)行堡僻，包括下面我們要提到的socket糠惫。Linux剛啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)自動(dòng)設(shè)置0是標(biāo)準(zhǔn)輸入，1是標(biāo)準(zhǔn)輸出钉疫，2是標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤硼讽。

二 uninx五種IO模型

1） blocking IO(阻塞IO)

blocking-IO.png

調(diào)用過程：

1. 用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)recvfrom請求，內(nèi)核收到這個(gè)請求之后沒有立即返回牲阁，而是首先等待數(shù)據(jù)到達(dá)固阁。

2. 等數(shù)據(jù)到達(dá)之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝城菊，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到用戶進(jìn)程緩存區(qū)备燃，拷貝完成后返回給進(jìn)程ok的消息。

上面整個(gè)過程都是阻塞的凌唬。

2） nonblocking IO(非阻塞IO)

noblocking-IO.png

調(diào)用過程：

1. 用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)recvfrom請求并齐，內(nèi)核收到這個(gè)請求之后立即返回?cái)?shù)據(jù)沒有到達(dá)的消息。

2. 用戶進(jìn)程收到消息后繼續(xù)發(fā)送recvfrom請求客税，如果數(shù)據(jù)仍沒有到達(dá)况褪，內(nèi)核繼續(xù)返回沒有到達(dá)的消息。

3. 如此循環(huán)霎挟，直到數(shù)據(jù)到達(dá)內(nèi)核窝剖。然后內(nèi)核將收到的數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到用戶進(jìn)程緩存區(qū)，拷貝完成后返回給進(jìn)程ok的消息酥夭。

上面整個(gè)過程都是阻塞的赐纱。

3） IO multiplexing(IO復(fù)用) (select/poll/epoll)

IO-multiplexing.png

調(diào)用過程：

1. 用戶進(jìn)程通過調(diào)用select或poll或epoll去查詢多個(gè)文件描述符的狀態(tài)脊奋。

2. 如果有一個(gè)文件描述符準(zhǔn)備好了，內(nèi)核就返回該文件描述符可讀的消息疙描。

3. 用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)recvfrom請求诚隙，內(nèi)核收到請求后開始拷貝數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到用戶進(jìn)程緩存區(qū)起胰，拷貝完成后返回給進(jìn)程ok的消息久又。

上面整個(gè)過程都是阻塞的。

4. signal driven IO(信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO)

signal-driven-IO.png

調(diào)用過程：

1. 設(shè)置socket為一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO效五，并且通過sigaction system call安裝一個(gè)signal handler地消。

2. 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，一個(gè)SIGIO信號(hào)傳送給用戶進(jìn)程通知數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好畏妖。

3. 然后用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)recvfrom請求脉执，內(nèi)核收到請求后開始拷貝數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)拷貝到用戶進(jìn)程緩存區(qū)戒劫，拷貝完成后返回給進(jìn)程ok的消息半夷。

步驟1因?yàn)槭撬矔r(shí)完成的，可以認(rèn)為是非阻塞的迅细。步驟2巫橄，3是阻塞的。

5. asynchronous IO(異步IO)

asynchronous-IO.png

調(diào)用過程：

1. 用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)aio_read的系統(tǒng)調(diào)用茵典，內(nèi)核立即返回響應(yīng)湘换。

2. 用戶進(jìn)程收到響應(yīng)，可以繼續(xù)做自己的事（非阻塞）敬尺。

3. 內(nèi)核等待數(shù)據(jù)到達(dá)枚尼，完成數(shù)據(jù)拷貝后，發(fā)送消息給用戶進(jìn)程砂吞。

上面整個(gè)過程都是非阻塞的。

三 windowsIO模型

windwos IO模型感覺和linuxIO模型相似崎溃，感興趣的同學(xué)可以看看這個(gè)

ps: 本文的圖和英文引用部分來自參考文檔3.中文引用部分來自文檔1（參考文檔寫的比我好蜻直，建議大家多看看 :)）

參考文檔：

1. Linux下的五種IO模型

2. 從內(nèi)核文件系統(tǒng)看文件讀寫過程

3. Linux_Programming/UNIX Network Programming(Volume1,3rd).pdf

4. 使用異步 I/O 大大提高應(yīng)用程序的性能