術(shù)語概念描述：

IO有內(nèi)存IO、網(wǎng)絡(luò)IO和磁盤IO三種，通常我們說的IO指的是后兩者区拳。

阻塞和非阻塞，是函數(shù)/方法的實(shí)現(xiàn)方式意乓，即在數(shù)據(jù)就緒之前是立刻返回還是等待樱调。

以文件IO為例,一個(gè)IO讀過程是文件數(shù)據(jù)從磁盤→內(nèi)核緩沖區(qū)→用戶內(nèi)存的過程。同步與異步的區(qū)別主要在于數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)→用戶內(nèi)存這個(gè)過程需不需要用戶進(jìn)程等待。有個(gè)數(shù)據(jù)拷貝的過程笆凌，是拷貝完再通知還是在內(nèi)核緩沖區(qū)就通知圣猎。(網(wǎng)絡(luò)IO把磁盤換做網(wǎng)卡即可)

Linux IO模型

????????同步阻塞

????????同步非阻塞

????????IO復(fù)用

????????信號(hào)驅(qū)動(dòng)

????????異步非阻塞

同步阻塞

????????去餐館吃飯，點(diǎn)一個(gè)自己最愛吃的蓋澆飯乞而，然后在原地等著一直到蓋澆飯做好送悔，自己端到餐桌就餐。這就是典型的同步阻塞爪模。當(dāng)廚師給你做飯的時(shí)候放祟，你需要一直在那里等著。

????????網(wǎng)絡(luò)編程中呻右，讀取客戶端的數(shù)據(jù)需要調(diào)用recvfrom跪妥。在默認(rèn)情況下，這個(gè)調(diào)用會(huì)一直阻塞直到數(shù)據(jù)接收完畢声滥，就是一個(gè)同步阻塞的IO方式眉撵。這也是最簡(jiǎn)單的IO模型，在通常fd(文件描述句柄)較少落塑、就緒很快的情況下使用是沒有問題的纽疟。

同步非阻塞

????????你每次點(diǎn)完飯就在那里等著，突然有一天你發(fā)現(xiàn)自己真傻憾赁。于是污朽，你點(diǎn)完之后，就回桌子那里坐著龙考，然后估計(jì)差不多了蟆肆，就問老板飯好了沒，如果好了就去端晦款，沒好的話就等一會(huì)再去問炎功，依次循環(huán)直到飯做好。這就是同步非阻塞缓溅。

????????這種方式在編程中對(duì)socket設(shè)置O_NONBLOCK即可蛇损。但此方式僅僅針對(duì)網(wǎng)絡(luò)IO有效，對(duì)磁盤IO并沒有作用坛怪。因?yàn)楸镜匚募蘒O就沒有被認(rèn)為是阻塞淤齐，我們所說的網(wǎng)絡(luò)IO的阻塞是因?yàn)榫W(wǎng)路IO有無限阻塞的可能，而本地文件除非是被鎖住袜匿，否則是不可能無限阻塞的更啄，因此只有鎖這種情況下，O_NONBLOCK才會(huì)有作用沉帮。而且锈死，磁盤IO時(shí)要么數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)中直接可以返回，要么需要調(diào)用物理設(shè)備去讀取穆壕，這時(shí)候進(jìn)程的其他工作都需要等待待牵。因此，后續(xù)的IO復(fù)用和信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO對(duì)文件IO也是沒有意義的喇勋。

IO復(fù)用

????????你點(diǎn)一份飯然后循環(huán)的去問好沒好顯然有點(diǎn)得不償失缨该，還不如就等在那里直到準(zhǔn)備好，但是當(dāng)你點(diǎn)了好幾樣飯菜的時(shí)候川背，你每次都去問一下所有飯菜的狀態(tài)(未做好/已做好)肯定比你每次阻塞在那里等著好多了贰拿。當(dāng)然，你問的時(shí)候是需要阻塞的熄云，一直到有準(zhǔn)備好的飯菜或者你等的不耐煩(超時(shí))膨更。這就引出了IO復(fù)用，也叫多路IO就緒通知缴允。這是一種進(jìn)程預(yù)先告知內(nèi)核的能力荚守，讓內(nèi)核發(fā)現(xiàn)進(jìn)程指定的一個(gè)或多個(gè)IO條件就緒了奔誓，就通知進(jìn)程晋涣。使得一個(gè)進(jìn)程能在一連串的事件上等待绪抛。

????????IO復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方式目前主要有select柔滔、poll和epoll贫母。select和poll的原理基本相同：注冊(cè)待偵聽的fd(這里的fd創(chuàng)建時(shí)最好使用非阻塞)熬苍，每次調(diào)用都去檢查這些fd的狀態(tài)换淆，當(dāng)有一個(gè)或者多個(gè)fd就緒的時(shí)候返回心褐，返回結(jié)果中包括已就緒和未就緒的fd摄职。

????????相比select誊役，poll解決了單個(gè)進(jìn)程能夠打開的文件描述符數(shù)量有限制這個(gè)問題：select受限于FD_SIZE的限制，如果修改則需要修改這個(gè)宏重新編譯內(nèi)核谷市；而poll通過一個(gè)pollfd數(shù)組向內(nèi)核傳遞需要關(guān)注的事件势木，避開了文件描述符數(shù)量限制。此外歌懒，select和poll共同具有的一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是包含大量fd的數(shù)組被整體復(fù)制于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)地址空間之間啦桌，開銷會(huì)隨著fd數(shù)量增多而線性增大。

????????select和poll就類似于上面說的就餐方式及皂。但當(dāng)你每次都去詢問時(shí)甫男，老板會(huì)把所有你點(diǎn)的飯菜都輪詢一遍再告訴你情況，當(dāng)大量飯菜很長(zhǎng)時(shí)間都不能準(zhǔn)備好的情況下是很低效的验烧。于是板驳，老板有些不耐煩了，就讓廚師每做好一個(gè)菜就記下來他碍拆。這樣每次你再去問的時(shí)候若治，他會(huì)直接把已經(jīng)準(zhǔn)備好的菜告訴你慨蓝，你再去端。這就是事件驅(qū)動(dòng)IO就緒通知的方式epoll端幼。

????????epoll的出現(xiàn)礼烈，解決了select、poll的缺點(diǎn)：基于事件驅(qū)動(dòng)的方式婆跑，避免了每次都要把所有fd都掃描一遍此熬。epoll_wait只返回就緒的fd。epoll使用nmap內(nèi)存映射技術(shù)避免了內(nèi)存復(fù)制的開銷滑进。epoll的fd數(shù)量上限是操作系統(tǒng)的最大文件句柄數(shù)目,這個(gè)數(shù)目一般和內(nèi)存有關(guān)犀忱，通常遠(yuǎn)大于1024。

總結(jié)：

????????select：支持注冊(cè) FD_SETSIZE(1024)?個(gè) socket扶关。

????????poll：poll?作為 select?的替代者阴汇，最大的區(qū)別就是，poll?不再限制 socket?數(shù)量节槐。

????????epoll：epoll?能直接返回具體的準(zhǔn)備好的通道鲫寄，時(shí)間復(fù)雜度 O(1)。

????????ps：select 和poll 都有一個(gè)共同的問題疯淫，那就是它們都只會(huì)返回所有通道(channel)地来，但是不會(huì)告訴你具體是哪幾個(gè)通道已經(jīng)就緒。一旦知道有通道準(zhǔn)備好以后熙掺，需要進(jìn)行一次掃描未斑，通道少的時(shí)候還行，一旦通道的數(shù)量是幾十萬個(gè)以上的時(shí)候币绩，掃描一次的時(shí)間復(fù)雜度O(n)蜡秽。后來才催生了epoll實(shí)現(xiàn)。

????????此外缆镣，對(duì)于IO復(fù)用還有一個(gè)水平觸發(fā)和邊緣觸發(fā)的概念：

????????水平觸發(fā)（可以返回多次）：當(dāng)就緒的fd未被用戶進(jìn)程處理后芽突，下一次查詢依舊會(huì)返回，這是select和poll的觸發(fā)方式董瞻。

????????邊緣觸發(fā)（只返回一次）：無論就緒的fd是否被處理寞蚌，下一次不再返回。理論上性能更高钠糊，但是實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜挟秤，并且任何意外的丟失事件都會(huì)造成請(qǐng)求處理錯(cuò)誤。epoll默認(rèn)使用水平觸發(fā)抄伍，通過相應(yīng)選項(xiàng)可以使用邊緣觸發(fā)艘刚。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)

????????上文的就餐方式還是需要你每次都去問一下飯菜狀況。于是截珍，你再次不耐煩了攀甚，就跟老板說箩朴，哪個(gè)飯菜好了就通知我一聲吧。然后就自己坐在桌子那里干自己的事情秋度。更甚者炸庞，你可以把手機(jī)號(hào)留給老板，自己出門静陈，等飯菜好了直接發(fā)條短信給你燕雁。這就類似信號(hào)驅(qū)動(dòng)的IO模型诞丽。

????????流程如下：

????????開啟套接字信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO功能鲸拥；

????????系統(tǒng)調(diào)用sigaction執(zhí)行信號(hào)處理函數(shù)（非阻塞，立刻返回）僧免；

????????數(shù)據(jù)就緒（在內(nèi)核緩沖區(qū)）刑赶，生成sigio信號(hào)，通過信號(hào)回調(diào)通知應(yīng)用來讀取數(shù)據(jù)懂衩。

異步非阻塞

????????之前的就餐方式撞叨，到最后總是需要你自己去把飯菜端到餐桌。這下你也不耐煩了浊洞，于是就告訴老板牵敷，能不能飯好了直接端到你的面前或者送到你的家里(數(shù)據(jù)在用戶內(nèi)存就緒)。這就是異步非阻塞IO了法希。

????????對(duì)比信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO枷餐，異步IO的主要區(qū)別在于：信號(hào)驅(qū)動(dòng)由內(nèi)核告訴我們何時(shí)可以開始一個(gè)IO操作(數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)中)，而異步IO則由內(nèi)核通知IO操作何時(shí)已經(jīng)完成(數(shù)據(jù)已經(jīng)在用戶空間中)苫亦。異步IO又叫做事件驅(qū)動(dòng)IO毛肋，在Unix中，POSIX1003.1標(biāo)準(zhǔn)為異步方式訪問文件定義了一套庫函數(shù)屋剑，定義了AIO的一系列接口润匙。使用aio_read或者aio_write發(fā)起異步IO操作。使用aio_error檢查正在運(yùn)行的IO操作的狀態(tài)唉匾。

網(wǎng)絡(luò)編程模型

????????Java的I/O發(fā)展簡(jiǎn)史：

????????從JDK1.0到JDK1.3孕讳，Java的I/O類庫都非常原始，很多UNIX網(wǎng)絡(luò)編程中的概念或者接口在I/O類庫中都沒有體現(xiàn)巍膘，例如Pipe卫病、Channel、Buffer和Selector等典徘。2002年發(fā)布JDK1.4時(shí)蟀苛，NIO以JSR-51的身份正式隨JDK發(fā)布。它新增了個(gè)java.nio包逮诲，提供了很多進(jìn)行異步I/O開發(fā)的API和類庫帜平，主要的類和接口如下：

????????進(jìn)行異步I/O操作的緩沖區(qū)ByteBuffer等幽告；

????????進(jìn)行異步I/O操作的管道Pipe；

????????進(jìn)行各種I/O操作（異步或者同步）的Channel裆甩，包括ServerSocketChannel和SocketChannel冗锁；

????????多種字符集的編碼能力和解碼能力；

????????實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O操作的多路復(fù)用器selector嗤栓；

????????基于流行的Perl實(shí)現(xiàn)的正則表達(dá)式類庫冻河；

????????文件通道FileChannel。

????????新的NIO類庫的提供茉帅，極大地促進(jìn)了基于Java的異步非阻塞編程的發(fā)展和應(yīng)用叨叙，但是，它依然有不完善的地方堪澎，特別是對(duì)文件系統(tǒng)的處理能力仍顯不足擂错，主要問題如下：

????????沒有統(tǒng)一的文件屬性（例如讀寫權(quán)限）；

????????API能力比較弱樱蛤，例如目錄的級(jí)聯(lián)創(chuàng)建和遞歸遍歷钮呀，往往需要自己實(shí)現(xiàn)；

????????底層存儲(chǔ)系統(tǒng)的一些高級(jí)API無法使用昨凡；

????????所有的文件操作都是同步阻塞調(diào)用爽醋，不支持異步文件讀寫操作。

????????2011年7月28日便脊，JDK1.7正式發(fā)布蚂四。它的一個(gè)比較大的亮點(diǎn)就是將原來的NIO類庫進(jìn)行了升級(jí)，被稱為NIO2.0就轧。NIO2.0由JSR-203演進(jìn)而來证杭，它主要提供了如下三個(gè)方面的改進(jìn)：

????????提供能夠批量獲取文件屬性的API，這些API具有平臺(tái)無關(guān)性妒御，不與特性的文件系統(tǒng)相耦合解愤，另外它還提供了標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)的SPI，供各個(gè)服務(wù)提供商擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)乎莉；

????????提供AIO功能送讲，支持基于文件的異步I/O操作和針對(duì)網(wǎng)絡(luò)套接字的異步操作；

????????完成JSR-51定義的通道功能惋啃，包括對(duì)配置和多播數(shù)據(jù)報(bào)的支持等哼鬓。

????????上文講述了UNIX環(huán)境的五種IO模型”呙穑基于這五種模型异希，在Java中，隨著NIO和NIO2.0(AIO)的引入绒瘦，一般具有BIO称簿、NIO和AIO網(wǎng)絡(luò)編程模型扣癣。

BIO

????????BIO是一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)編程模型，是通常我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)端程序的過程憨降，步驟如下：

????????主線程accept請(qǐng)求阻塞父虑；

????????請(qǐng)求到達(dá)，創(chuàng)建新的線程來處理這個(gè)套接字授药，完成對(duì)客戶端的響應(yīng)士嚎；

????????主線程繼續(xù)accept下一個(gè)請(qǐng)求。

????????這種模型有一個(gè)很大的問題是：當(dāng)客戶端連接增多時(shí)悔叽，服務(wù)端創(chuàng)建的線程也會(huì)暴漲莱衩，系統(tǒng)性能會(huì)急劇下降。因此骄蝇，在此模型的基礎(chǔ)上膳殷，類似于 tomcat的bio connector操骡，采用的是線程池來避免對(duì)于每一個(gè)客戶端都創(chuàng)建一個(gè)線程九火。有些地方把這種方式叫做偽異步IO(把請(qǐng)求拋到線程池中異步等待處理)。

NIO

????????JDK1.4開始引入了NIO類庫册招，這里的NIO指的是Non-blcok IO岔激，主要是使用Selector多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)。Selector在Linux等主流操作系統(tǒng)上是通過epoll實(shí)現(xiàn)的是掰。

????????NIO的實(shí)現(xiàn)流程虑鼎，類似于select：

????????創(chuàng)建ServerSocketChannel監(jiān)聽客戶端連接并綁定監(jiān)聽端口，設(shè)置為非阻塞模式键痛；

????????創(chuàng)建Reactor線程炫彩，創(chuàng)建多路復(fù)用器(Selector)并啟動(dòng)線程；

????????將ServerSocketChannel注冊(cè)到Reactor線程的Selector上絮短。監(jiān)聽accept事件江兢；

????????Selector在線程run方法中無線循環(huán)輪詢準(zhǔn)備就緒的Key；

????????Selector監(jiān)聽到新的客戶端接入丁频，處理新的請(qǐng)求杉允，完成tcp三次握手，建立物理連接席里；

????????將新的客戶端連接注冊(cè)到Selector上叔磷，監(jiān)聽讀操作。讀取客戶端發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)消息奖磁；

????????客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)就緒則讀取客戶端請(qǐng)求改基，進(jìn)行處理。

????????相比BIO咖为，NIO的編程非常復(fù)雜秕狰。

AIO

????????JDK1.7引入NIO2.0嵌洼，提供了異步文件通道和異步套接字通道的實(shí)現(xiàn)，是真正的異步非阻塞IO, 對(duì)應(yīng)于Unix中的異步IO封恰。

????????通常會(huì)有一個(gè)線程池用于執(zhí)行異步任務(wù)麻养，提交任務(wù)的線程將任務(wù)提交到線程池就可以立馬返回，不必等到任務(wù)真正完成诺舔。如果想要知道任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果鳖昌，通常是通過傳遞一個(gè)回調(diào)函數(shù)，任務(wù)結(jié)束后去調(diào)用這個(gè)函數(shù)或者Future get(需要用時(shí)編碼阻塞獲取)的方式低飒。同樣的原理许昨，Java 中的異步?IO 也是一樣的，都是由一個(gè)線程池來負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)褥赊，然后使用回調(diào)或自己去查詢結(jié)果糕档。異步?IO 主要是為了控制線程數(shù)量，減少過多的線程帶來的內(nèi)存消耗和?CPU 在線程調(diào)度上的開銷拌喉。

????????NIO的實(shí)現(xiàn)流程如下：

????????創(chuàng)建AsynchronousServerSocketChannel速那，綁定監(jiān)聽端口；

????????調(diào)用AsynchronousServerSocketChannel的accpet方法尿背，傳入自己實(shí)現(xiàn)的CompletionHandler(回調(diào)函數(shù))端仰。包括上一步，都是非阻塞的田藐；

????????連接傳入荔烧，回調(diào)CompletionHandler的completed方法，在里面汽久，調(diào)用AsynchronousSocketChannel的read方法鹤竭，傳入負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的CompletionHandler；

????????數(shù)據(jù)就緒景醇，觸發(fā)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的CompletionHandler的completed方法臀稚。繼續(xù)做下一步處理即可。

????????寫入操作類似啡直，也需要傳入CompletionHandler烁涌。

總結(jié)：