Java IO 模型详解
一、何为 I/O?
I/O（Input/Output） 即 输入／输出，是计算机与外部设备之间进行数据交换的过程。它包括从外部设备获取数据（输入）以及将数据输出到外部设备（输出）。在计算机系统中，I/O 操作通常是指通过硬件设备与操作系统进行交互来进行数据传输。
从计算机结构的角度来看 I/O
根据 冯·诺依曼结构，计算机系统分为五大部分：
- 运算器：负责执行运算操作。
- 控制器：控制各个部分的协调与数据流动。
- 存储器：存储数据和程序指令。
- 输入设备：向计算机输入数据（例如：键盘、鼠标）。
- 输出设备：计算机输出数据（例如：显示器、打印机）。
外部设备如 硬盘、网卡，既可以是输入设备，也可以是输出设备。
- 输入设备：向计算机传输数据，如键盘、鼠标、扫描仪等。
- 输出设备：计算机将处理后的数据传送给外部设备，如显示器、打印机、扬声器等。
I/O 操作从计算机结构的角度来看，是指计算机与这些外部设备之间的数据传输过程。
从应用程序的角度来看 I/O
应用程序通过 系统调用 来请求操作系统执行 I/O 操作。在操作系统中，计算机的内存空间分为两个区域：
- 用户空间（User space）：普通应用程序运行的区域，用户的程序和数据位于此区域。
- 内核空间（Kernel space）：操作系统内核运行的区域，涉及到内存管理、硬件控制、文件系统等系统级资源管理。
当应用程序想要进行 I/O 操作时，因权限限制，不能直接访问内核空间，必须通过系统调用请求内核执行。系统调用通过操作系统的内核进行具体的 I/O 操作。
I/O 操作的执行流程：
- 内核等待 I/O 设备准备好数据：在文件操作或网络操作时，内核需要等待硬件设备准备好数据。
- 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间：设备准备好数据后，内核将数据复制到应用程序能够访问的用户空间。
常见的 I/O 模型
在 UNIX 系统下，常见的 I/O 模型有五种：
同步阻塞 I/O（Blocking I/O）
- 在同步阻塞模型下，进程发起 I/O 操作后，会被阻塞，直到 I/O 操作完成，才能继续执行后续的任务。
- 这种模式下，I/O 操作会占用进程的全部时间，直到数据读取或写入完成。
同步非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）
- 非阻塞 I/O 模型允许进程在执行 I/O 操作时，不会因为 I/O 操作而被阻塞。进程可以继续执行其他任务。
- 如果数据尚未准备好，操作会立即返回，程序可以继续执行其他操作，之后再次检查 I/O 操作是否完成。
I/O 多路复用（I/O Multiplexing）
- 多路复用允许进程同时监控多个 I/O 通道（例如多个文件或网络连接）。当有数据准备好时，操作系统会通知应用程序，应用程序可以一次性处理多个 I/O 操作。
- 常见的实现方式包括 select、poll 和 epoll。这些机制允许单个进程通过一个线程处理多个 I/O 操作，提高了效率。
信号驱动 I/O（Signal-driven I/O）
- 信号驱动 I/O 模型通过信号机制通知进程某个 I/O 操作的状态发生了变化。当 I/O 操作完成或设备准备好时，操作系统会向进程发送一个信号，进程可以根据该信号执行后续操作。
异步 I/O（Asynchronous I/O）
- 在异步 I/O 模型下，应用程序发起 I/O 操作后，无需等待操作完成，可以继续执行其他任务。操作系统会在 I/O 操作完成时通知应用程序，应用程序随后可以处理结果。
- 异步 I/O 在高并发和大规模 I/O 操作中尤其有效，可以极大地提高效率，常见于高性能的网络应用程序中。
总结
- I/O 描述了计算机系统与外部设备之间的交互过程。
- 从 计算机结构的角度，I/O 操作是计算机与硬件设备之间的数据传输。
- 从 应用程序的角度，应用程序通过系统调用发起 I/O 操作，操作系统负责执行具体的 I/O 操作。
- 常见的 I/O 模型 包括：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。
二、Java 中 3 种常见 IO 模型
在 Java 中，有三种常见的 I/O 模型：BIO (Blocking I/O)、NIO (Non-blocking I/O) 和 AIO (Asynchronous I/O)。它们的主要区别在于 I/O 操作的执行方式和效率，适用于不同的场景。
1. BIO (Blocking I/O)
BIO 是同步阻塞 I/O 模型。
- 如何工作：在 BIO 模型中，应用程序调用
read()或write()方法时，线程会被阻塞，直到操作完成。例如，当你发起读取文件的请求时，线程会停在那里，等到文件内容被读取并返回数据后，线程才会继续执行。 - 性能：BIO 在连接数较少时可以正常工作，但一旦连接数增多，每个连接都需要独立的线程，导致系统资源消耗大，性能下降，无法应对大量并发请求。
适用场景：适用于传统的客户端-服务器应用，但不适合高并发场景。
2. NIO (Non-blocking I/O)
NIO 是同步非阻塞 I/O 模型。
- 如何工作：在 NIO 中，应用程序调用
read()或write()时不会阻塞线程。如果数据没有准备好，线程不会被卡住，而是可以去执行其他任务。NIO 使用了 I/O 多路复用，通过Selector来监控多个 I/O 操作。通过轮询，程序只在数据准备好时才会处理。 - 性能：NIO 的优势在于能够通过一个线程处理多个连接，减少了线程切换和上下文切换的开销，适合高并发的网络应用。
适用场景：适合高并发、需要处理大量 I/O 操作的网络应用，典型的如 Web 服务器、即时通讯等。
3. AIO (Asynchronous I/O)
AIO 是异步 I/O 模型，也叫 NIO 2，是 Java 7 引入的改进版。
- 如何工作：AIO 与 NIO 不同，它通过事件驱动的方式来处理 I/O 操作。应用程序发起操作后，立即返回，内核在后台完成 I/O 操作，操作完成后通过回调通知应用程序。这样，应用程序无需等待 I/O 完成，而可以继续执行其他任务。
- 性能：AIO 在理论上能提供最高效的 I/O 处理方式，因为它完全避免了线程阻塞，只有 I/O 完成时才会唤醒相应的线程。
适用场景：适合极高并发的场景，特别是当 I/O 操作较长时，比如视频流处理、下载服务器等。不过，AIO 的复杂性较高，且当前大多数框架和操作系统并未广泛使用。
总结与对比
| 特性 | BIO | NIO | AIO |
|---|---|---|---|
| 阻塞/非阻塞 | 阻塞 | 非阻塞 | 非阻塞 |
| I/O 调用方式 | 同步（线程等待数据） | 同步（通过 Selector 实现多路复用） | 异步（立即返回，通过回调处理） |
| 性能 | 适合小量连接，但不适合高并发 | 高并发情况下性能优秀 | 高并发且 I/O 操作较长时表现最佳 |
| 实现复杂度 | 简单 | 较复杂 | 更复杂 |
| 适用场景 | 小型应用，如传统客户端-服务器 | 高并发的网络应用，Web 服务器 | 高并发、长时间阻塞的任务，如流媒体服务 |
简单总结
- BIO 是最传统、最简单的 I/O 模型，适合连接较少的场景。
- NIO 提供了更高效的并发处理方式，适用于需要同时处理大量连接的应用，比如大规模的网络服务。
- AIO 通过异步回调处理 I/O，适用于极高并发、需要最大化 I/O 性能的应用场景。
通过理解每种模型的特点，我们可以根据实际需求选择合适的 I/O 模型，提高应用程序的性能和响应能力。