知识点储备

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java提供了哪些io方式？

1.同步阻塞io： 传统的Java IO 方式,如InputStream,OutputStrea等。

2.多路复用的、同步非阻塞 IO（NIO）: 在 Java 1.4 中引入了 NIO 框架（java.nio 包），提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序。

3.异步非阻塞 IO(AIO)： 在 Java 7 中，NIO 有了进一步的改进，也就是 NIO 2，引入了异步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。

四种主要的IO模型

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同步阻塞IO（Blocking IO）

在阻塞式 I/O 模型中，应用程序在从IO系统调用开始，一直到到系统调用返回，这段时间是阻塞的。返回成功后，应用进程开始处理用户空间的缓存数据
发起一个blocking socket的read读操作系统调用，大概流程是这样：

第一步： 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就要等待足够的数据到来。

第二步： 当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

第三步： 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。当在高并发的场景下，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。

同步非阻塞NIO（None Blocking IO）

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区分阻塞与非阻塞（blocking/non-blocking）：

在进行阻塞IO时，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务；而非阻塞则是不管 IO 操作是否结束，直接返回，相应操作在后台继续处理。

流程如下：

**第一步: ** 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（可能会调用无数次）。

第二步： 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。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

第三步： 用户线程解除block的状态，重新运行起来。用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

NIO优点： 每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

NIO缺点： 需要不断的重复发起IO系统调用，这种不断的轮询，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。

注意：Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一种模型，叫做IO多路复用模型（ IO multiplexing ）。

IO多路复用模型(I/O multiplexing）

IO多路复用模型可以避免上面同步非阻塞NIO模型中轮询等待的问题。

IO多路复用模型，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。

IO多路复用模型的基本原理就是select/epoll系统调用，单个线程不断的轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接（这里有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到select/epoll的可查询socket列表中），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，就查询到到可以读写的一个甚至是成百上千的网络连接，大大提高了性能。

IO多路复用首先进行的是select/epoll调用，通过select/epoll调用后就知道了哪些socket有数据到达了，然后就可以进行read系统调动读取IO数据。

调用流程：

第一步： 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，那么整个线程会被block（阻塞掉）。

第二步： 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（用户内存），然后kernel返回结果。

第三步： 用户线程才解除block的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

多路复用IO的优点： 用select/epoll的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O多路复用技术的最大优势是：系统不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

Java的NIO（new IO）技术，使用的就是IO多路复用模型。在linux系统上，使用的是epoll系统调用。

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。都需要在读写事件就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

异步IO模型（asynchronous IO）

同步或异步（synchronous/asynchronous）：

同步调用： 需要用户线程不停的去问kernel内核，IO操作是否准备好？（包括数据准备、数据复制）等，kernel内核是不会主动告诉用户线程是否已经准备好IO操作的。

异步调用： 而异步调用，kernel内核准备好了IO操作（包括数据准备、数据复制），会主动通知用户线程，然后用户执行后续的业务操作。

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： 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： 将数据从内核缓冲区拷贝到用户程序空间的缓冲区。

调用流程：

第一步： 当用户线程调用了read系统调用，立刻就可以开始去做其它的事，用户线程不阻塞。

第二步： 内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

第三步： 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。

第四步： 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模型的优点：

在内核kernel的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞)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提供大量的支持，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说高并发应用的服务器操作系统来使用。

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 复用模型模式为主。

考点分析

这个问题主要考察

（1）Java几种IO模型，

（2）对NIO的理解，什么是多路复用

（3）如果问的深入的一般还会问Netty的原理及源码(Netty知识点较多，不在本章介绍)。因为Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架，在项目中有较多的应用，所以考察NIO还可能会考察Netty相关的知识。