承接上文的操作系統(tǒng)，關(guān)于IO會涉及到阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、同步、異步、BIO、NIO、AIO等幾個知識點。知識點雖然不難但平常經(jīng)常容易搞混，特此Mark下，與君共勉。

1 阻塞跟非阻塞

1.1 阻塞

阻塞IO情況下，當(dāng)用戶調(diào)用read后，用戶線程會被阻塞，等內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并且數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶態(tài)緩存區(qū)后read才會返回。可以看到是阻塞的兩個部分。

CPU把數(shù)據(jù)從磁盤讀到內(nèi)核緩沖區(qū)。
CPU把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。

1.2 非阻塞

非阻塞IO發(fā)出read請求后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好，會繼續(xù)往下執(zhí)行，此時應(yīng)用程序會不斷輪詢polling內(nèi)核詢問數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，當(dāng)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好時，內(nèi)核立即返回EWOULDBLOCK錯誤。直到數(shù)據(jù)被拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)，read請求才獲取到結(jié)果。并且你要注意！這里最后一次 read 調(diào)用獲取數(shù)據(jù)的過程，是一個同步的過程，是需要等待的過程。這里的同步指的是內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶程序的緩存區(qū)這個過程。

1.3 IO多路復(fù)用

非阻塞情況下無可用數(shù)據(jù)時，應(yīng)用程序每次輪詢內(nèi)核看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好了也耗費CPU，能否不讓它輪詢，當(dāng)內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，以事件通知當(dāng)機制告知應(yīng)用進程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了呢？應(yīng)用進程在沒有收到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的事件通知信號時可以忙寫其他的工作。此時IO多路復(fù)用就派上用場了。

IO多路復(fù)用中文比較讓人頭大，IO多路復(fù)用的原文叫 I/O multiplexing，這里的 multiplexing 指的其實是在單個線程通過記錄跟蹤每一個Sock(I/O流)的狀態(tài)來同時管理多個I/O流. 發(fā)明它的目的是盡量多的提高服務(wù)器的吞吐能力。實現(xiàn)一個線程監(jiān)控多個IO請求，哪個IO有請求就把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程緩沖區(qū)，拷貝期間是阻塞的！現(xiàn)在已經(jīng)可以通過采用mmap地址映射的方法，達到內(nèi)存共享效果，避免真復(fù)制，提高效率。

IO多路復(fù)用

像select、poll、epoll 都是I/O多路復(fù)用的具體的實現(xiàn)。

1.3.1 select

select是第一版IO復(fù)用，提出后暴漏了很多問題。

select 會修改傳入的參數(shù)數(shù)組，這個對于一個需要調(diào)用很多次的函數(shù)，是非常不友好的。
select 如果任何一個sock(I/O stream)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)，select 僅僅會返回，但不會告訴是那個sock上有數(shù)據(jù)，只能自己遍歷查找。
select 只能監(jiān)視1024個鏈接。
select 不是線程安全的，如果你把一個sock加入到select, 然后突然另外一個線程發(fā)現(xiàn)這個sock不用，要收回，這個select 不支持的。

1.3.2 poll

poll 修復(fù)了 select 的很多問題。

poll 去掉了1024個鏈接的限制。
poll 從設(shè)計上來說不再修改傳入數(shù)組。

但是poll仍然不是線程安全的，這就意味著不管服務(wù)器有多強悍，你也只能在一個線程里面處理一組 I/O 流。你當(dāng)然可以拿多進程來配合了，不過然后你就有了多進程的各種問題。

1.3.3 epoll

epoll 可以說是 I/O 多路復(fù)用最新的一個實現(xiàn)，epoll 修復(fù)了poll 和select絕大部分問題，比如：

epoll 現(xiàn)在是線程安全的。
epoll 現(xiàn)在不僅告訴你sock組里面數(shù)據(jù)，還會告訴你具體哪個sock有數(shù)據(jù)，你不用自己去找了。
epoll 內(nèi)核態(tài)管理了各種IO文件描述符，以前用戶態(tài)發(fā)送所有文件描述符到內(nèi)核態(tài)，然后內(nèi)核態(tài)負責(zé)篩選返回可用數(shù)組，現(xiàn)在epoll模式下所有文件描述符在內(nèi)核態(tài)有存，查詢時不用傳文件描述符進去了。

1.3.4 三者對比

橫軸 Dead connections 是鏈接數(shù)的意思，叫這個名字只是它的測試工具叫deadcon。縱軸是每秒處理請求的數(shù)量，可看到epoll每秒處理請求的數(shù)量基本不會隨著鏈接變多而下降的。poll 和/dev/poll 就很慘了。但 epoll 有個致命的缺點是只有linux支持。

比如平常Nginx為何可以支持4W的QPS是因為它會使用目標(biāo)平臺上面最高效的I/O多路復(fù)用模型。

1.4 異步IO

然后你會發(fā)現(xiàn)上面的提到過的操作都不是真正的異步，因為兩個階段總要等待會兒！而真正的異步 I/O 是內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好和數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)這兩個過程都不用等待。

很慶幸，Linux給我們準(zhǔn)備了aio_read跟aio_write函數(shù)實現(xiàn)真實的異步，當(dāng)用戶發(fā)起aio_read請求后就會自動返回。內(nèi)核會自動將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程空間，應(yīng)用進程啥都不用管。

2 同步跟異步

2.1 同步

同步跟異步的區(qū)別在于數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間是否由用戶線程完成，這里又分為同步阻塞跟同步非阻塞兩種。

同步阻塞：此時一個線程維護一個連接，該線程完成數(shù)據(jù)到讀寫跟處理到全部過程，數(shù)據(jù)讀寫時時線程是被阻塞的。
同步非阻塞：非阻塞的意思是用戶線程發(fā)出讀請求后，讀請求不會阻塞當(dāng)前用戶線程，不過用戶線程還是要不斷的去主動判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備OK了。此時還是會阻塞等待內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶進程。他與同步BIO區(qū)別是使用一個連接全程等待

我們以同步非阻塞為例，如下可看到，在將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間這一過程，是由用戶線程阻塞完成的。

2.2 異步

對于異步來說，用戶進行讀或者寫后，將立刻返回，由內(nèi)核去完成數(shù)據(jù)讀取以及拷貝工作，完成后通知用戶，并執(zhí)行回調(diào)函數(shù)（用戶提供的callback），此時數(shù)據(jù)已從內(nèi)核拷貝到用戶空間，用戶線程只需要對數(shù)據(jù)進行處理即可，不需要關(guān)注讀寫，用戶不需要等待內(nèi)核對數(shù)據(jù)的復(fù)制操作，用戶在得到通知時數(shù)據(jù)已經(jīng)被復(fù)制到用戶空間。我們以如下的真實異步非阻塞為例。

可發(fā)現(xiàn)，用戶在調(diào)用之后會立即返回，由內(nèi)核完成數(shù)據(jù)的拷貝工作，并通知用戶線程，進行回調(diào)。

2.3 同步跟異步對比

同步關(guān)注的消息通信機制synchronous communication，在發(fā)出一個調(diào)用時，在沒有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回。但是一旦調(diào)用返回，就得到返回值了。換句話說，就是由調(diào)用者主動等待這個調(diào)用的結(jié)果。

異步關(guān)注消息通信機制asynchronous communication，調(diào)用在發(fā)出之后，這個調(diào)用就直接返回了，所以沒有返回結(jié)果。換句話說，當(dāng)一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不會立刻得到結(jié)果。而是在調(diào)用發(fā)出后，被調(diào)用者通過狀態(tài)、通知來通知調(diào)用者，或通過回調(diào)函數(shù)處理這個調(diào)用。

3 Java IO

在Java中，我們使用socket進行網(wǎng)絡(luò)通信，IO主要有三種模式，主要看內(nèi)核支持哪些。

BIO：同步阻塞IO。
NIO：同步非阻塞IO。
AIO：異步非阻塞IO。

3.1 BIO

同步阻塞IO，每個客戶端的Socket連接請求，服務(wù)端都會對應(yīng)有個處理線程與之對應(yīng)，對于沒有分配到處理線程的連接就會被阻塞或者拒絕。相當(dāng)于是一個連接一個線程。

BIO特點：

使用一個獨立的線程維護一個socket連接，隨著連接數(shù)量的增多，對虛擬機造成一定壓力。
使用流來讀取數(shù)據(jù)，流是阻塞的，當(dāng)沒有可讀／可寫數(shù)據(jù)時，線程等待，會造成資源的浪費。

3.1.1 BIO 樣例

常量：

public class Constant {
    public static final String HOST = "127.0.0.1";
    public static final int PORT = 8080;
}

主類：

public class ClientMain {
    public static void main(String[] args) {
        //開啟服務(wù)
        System.out.println("開啟服務(wù),監(jiān)聽端口:" + Constant.PORT);
        new Thread(new ServerThread()).start();
        //建立一個socket客戶端,發(fā)起請求
        System.out.println("客戶端,請求連接,并發(fā)送數(shù)據(jù)");
        try {
            Socket socket = new Socket(Constant.HOST,Constant.PORT);
            //開啟新的線程處理socket連接
            new Thread(new ClientProcessThread(socket)).start();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

服務(wù)端監(jiān)聽線程：

// 開啟服務(wù)監(jiān)聽線程,當(dāng)收到連接請求后,開啟新的線程進行處理
public class ServerThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(Constant.PORT);
            while (true){
                Socket socket = serverSocket.accept();
                new Thread(new ServerProcessThread(socket)).start();
                //開啟新的線程進行連接請求的處理
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

服務(wù)端處理線程：

import java.io.*;
import java.net.Socket;
/**
 * 服務(wù)端收到連接請求后,處理請求的線程,阻塞式IO
 */
public class ServerProcessThread implements Runnable {
    private Socket socket;
    public ServerProcessThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        //獲取客戶端的數(shù)據(jù),并寫回
        //等待響應(yīng)
        try {
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line = "";
            String requestStr = "";
            System.out.println("來自客戶端的數(shù)據(jù):"); // 讀取客戶端數(shù)據(jù)
            while((line = bufferedReader.readLine()) != null){
                requestStr += line;
                System.out.println(line);
            }
            //  從服務(wù)端發(fā)給客戶端數(shù)據(jù)
            Writer writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
            writer.write("data from server " + requestStr + "\r\n");
            writer.flush();
            writer.close();
            bufferedReader.close();
            socket.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客戶端：

/**
 * 維護客戶端socket連接的線程,阻塞式IO
 */
public class ClientProcessThread implements Runnable {
    private Socket socket;
    public ClientProcessThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        //寫數(shù)據(jù),等待響應(yīng),輸出響應(yīng)
        String requestStr = "data from client \r\n";
        try {
            Writer writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream());
            writer.write(requestStr);
            writer.flush();
            socket.shutdownOutput();
            //等待響應(yīng)
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line;
            System.out.println("來自服務(wù)端的響應(yīng):");
            while((line = bufferedReader.readLine()) != null){
                System.out.println(line);
            }
            writer.close();
            bufferedReader.close();
            socket.close();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.2 NIO

同步非阻塞IO之NIO：服務(wù)器端保存一個Socket連接列表，然后對這個列表進行輪詢，如果發(fā)現(xiàn)某個Socket端口上有數(shù)據(jù)可讀時說明讀就緒，則調(diào)用該socket連接的相應(yīng)讀操作。如果發(fā)現(xiàn)某個 Socket端口上有數(shù)據(jù)可寫時說明寫就緒，則調(diào)用該socket連接的相應(yīng)寫操作。如果某個端口的Socket連接已經(jīng)中斷，則調(diào)用相應(yīng)的析構(gòu)方法關(guān)閉該端口。這樣能充分利用服務(wù)器資源，效率得到了很大提高，在進行IO操作請求時候再用個線程去處理，是一個請求一個線程。Java中使用Selector、Channel、Buffer來實現(xiàn)上述效果。

每個線程中包含一個Selector對象，它相當(dāng)于一個通道管理器，可以實現(xiàn)在一個線程中處理多個通道的目的，減少線程的創(chuàng)建數(shù)量。遠程連接對應(yīng)一個channel，數(shù)據(jù)的讀寫通過buffer均在同一個channel中完成，并且數(shù)據(jù)的讀寫是非阻塞的。通道創(chuàng)建后需要注冊在selector中，同時需要為該通道注冊感興趣事件（客戶端連接服務(wù)端事件、服務(wù)端接收客戶端連接事件、讀事件、寫事件），selector線程需要采用輪訓(xùn)的方式調(diào)用selector的select函數(shù)，直到所有注冊通道中有興趣的事件發(fā)生，則返回，否則一直阻塞。而后循環(huán)處理所有就緒的感興趣事件。以上步驟解決BIO的兩個瓶頸：

不必對每個連接分別創(chuàng)建線程。
數(shù)據(jù)讀寫非阻塞。

下面對以下三個概念做一個簡單介紹，Java NIO由以下三個核心部分組成：

selector：Selector 允許單線程處理多個Channel。如果你的應(yīng)用打開了多個連接（通道），但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。要使用Selector，得向Selector注冊Channel，然后調(diào)用他的select方法，這個方法會一直阻塞到某個注冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子入有新連接接進來，數(shù)據(jù)接收等。
Channel：基本上所有的IO在NIO中都從一個Channel開始。Channel有點像流，數(shù)據(jù)可以從channel讀到buffer，也可以從buffer寫到channel。
Buffer：緩沖區(qū)本質(zhì)上是一個可以讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，可以理解成是一個容器對象(含數(shù)組)，該對象提供了一組方法，可以更輕松的使用內(nèi)存塊，緩沖區(qū)對象內(nèi)置了一些機制，能夠跟蹤和記錄緩沖區(qū)的狀態(tài)變換情況，Channel提供從文件，網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀取或者寫入的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)由Buffer。

channel和buffer有好幾種類型。下面是Java NIO中的一些主要channel的實現(xiàn)：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP和TCP網(wǎng)絡(luò)IO，以及文件IO。以下是Java NIO里關(guān)鍵的buffer實現(xiàn)：

ByteBuffer
CharBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

在微服務(wù)階段，一個請求可能涉及到多個不同服務(wù)之間的跨服務(wù)器調(diào)用，如果你想實現(xiàn)高性能的PRC框架來進行數(shù)據(jù)傳輸，那就可以基于Java NIO做個支持長連接、自定義協(xié)議、高并發(fā)的框架，比如Netty。Netty本身就是一個基于NIO的網(wǎng)絡(luò)框架，封裝了Java NIO那些復(fù)雜的底層細節(jié)，給你提供簡單好用的抽象概念來編程。比如Dubbo底層就是用的Netty。