京東數(shù)科二面：常見的 IO 模型有哪些？Java 中 BIO、NIO、AIO 的區(qū)別？
IO 模型這塊確實(shí)挺難理解的，需要太多計(jì)算機(jī)底層知識(shí)。寫這篇文章用了挺久，就非常希望能把我所知道的講出來(lái)吧!希望朋友們能有收貨！為了寫這篇文章，還翻看了一下《UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程》這本書，太難了，我滴乖乖！心痛~
個(gè)人能力有限。如果文章有任何需要補(bǔ)充/完善/修改的地方，歡迎在評(píng)論區(qū)指出，共同進(jìn)步！
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前言
I/O 一直是很多小伙伴難以理解的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這篇文章我會(huì)將我所理解的 I/O 講給你聽，希望可以對(duì)你有所幫助。
I/O
何為 I/O?
I/O（Input/Outpu） 即輸入／輸出 。
我們先從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)解讀一下 I/O。
根據(jù)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分為 5 大部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。
輸入設(shè)備（比如鍵盤）和輸出設(shè)備（比如鼠標(biāo)）都屬于外部設(shè)備。網(wǎng)卡、硬盤這種既可以屬于輸入設(shè)備，也可以屬于輸出設(shè)備。
輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，輸出設(shè)備接收計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)。
從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的視角來(lái)看的話， I/O 描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間通信的過(guò)程。
我們?cè)傧葟膽?yīng)用程序的角度來(lái)解讀一下 I/O。
根據(jù)大學(xué)里學(xué)到的操作系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)：為了保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，一個(gè)進(jìn)程的地址空間劃分為 用戶空間（User space） 和 內(nèi)核空間（Kernel space ） 。
像我們平常運(yùn)行的應(yīng)用程序都是運(yùn)行在用戶空間，只有內(nèi)核空間才能進(jìn)行系統(tǒng)態(tài)級(jí)別的資源有關(guān)的操作，比如如文件管理、進(jìn)程通信、內(nèi)存管理等等。也就是說(shuō)，我們想要進(jìn)行 IO 操作，一定是要依賴內(nèi)核空間的能力。
并且，用戶空間的程序不能直接訪問(wèn)內(nèi)核空間。
當(dāng)想要執(zhí)行 IO 操作時(shí)，由于沒(méi)有執(zhí)行這些操作的權(quán)限，只能發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求操作系統(tǒng)幫忙完成。
因此，用戶進(jìn)程想要執(zhí)行 IO 操作的話，必須通過(guò) 系統(tǒng)調(diào)用 來(lái)間接訪問(wèn)內(nèi)核空間
我們?cè)谄匠ｉ_發(fā)過(guò)程中接觸最多的就是 磁盤 IO（讀寫文件）和 網(wǎng)絡(luò) IO（網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和相應(yīng)）。
從應(yīng)用程序的視角來(lái)看的話，我們的應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的內(nèi)核發(fā)起 IO 調(diào)用（系統(tǒng)調(diào)用），操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)的內(nèi)核執(zhí)行具體的 IO 操作。也就是說(shuō)，我們的應(yīng)用程序?qū)嶋H上只是發(fā)起了 IO 操作的調(diào)用而已，具體 IO 的執(zhí)行是由操作系統(tǒng)的內(nèi)核來(lái)完成的。
當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)起 I/O 調(diào)用后，會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)步驟：
內(nèi)核等待 I/O 設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù) 內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。
有哪些常見的 IO 模型?
UNIX 系統(tǒng)下， IO 模型一共有 5 種：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 和異步 I/O。
這也是我們經(jīng)常提到的 5 種 IO 模型。
Java 中 3 種常見 IO 模型
BIO (Blocking I/O)
BIO 屬于同步阻塞 IO 模型 。
同步阻塞 IO 模型中，應(yīng)用程序發(fā)起 read 調(diào)用后，會(huì)一直阻塞，直到在內(nèi)核把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。
在客戶端連接數(shù)量不高的情況下，是沒(méi)問(wèn)題的。但是，當(dāng)面對(duì)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)級(jí)連接的時(shí)候，傳統(tǒng)的 BIO 模型是無(wú)能為力的。因此，我們需要一種更高效的 I/O 處理模型來(lái)應(yīng)對(duì)更高的并發(fā)量。
NIO (Non-blocking/New I/O)
Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，對(duì)應(yīng) java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解為 Non-blocking，不單純是 New。它支持面向緩沖的，基于通道的 I/O 操作方法。對(duì)于高負(fù)載、高并發(fā)的（網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用，應(yīng)使用 NIO 。
Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路復(fù)用模型。也有很多人認(rèn)為，Java 中的 NIO 屬于同步非阻塞 IO 模型。
跟著我的思路往下看看，相信你會(huì)得到答案！
我們先來(lái)看看 同步非阻塞 IO 模型。
同步非阻塞 IO 模型中，應(yīng)用程序會(huì)一直發(fā)起 read 調(diào)用，等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的這段時(shí)間里，線程依然是阻塞的，直到在內(nèi)核把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。
相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型確實(shí)有了很大改進(jìn)。通過(guò)輪詢操作，避免了一直阻塞。
但是，這種 IO 模型同樣存在問(wèn)題：應(yīng)用程序不斷進(jìn)行 I/O 系統(tǒng)調(diào)用輪詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好的過(guò)程是十分消耗 CPU 資源的。
這個(gè)時(shí)候，I/O 多路復(fù)用模型 就上場(chǎng)了。
IO 多路復(fù)用模型中，線程首先發(fā)起 select 調(diào)用，詢問(wèn)內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，等內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，用戶線程再發(fā)起 read 調(diào)用。read 調(diào)用的過(guò)程（數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間->用戶空間）還是阻塞的。
目前支持 IO 多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用，有 select，epoll 等等。select 系統(tǒng)調(diào)用，是目前幾乎在所有的操作系統(tǒng)上都有支持
select 調(diào)用 ：內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用，它支持一次查詢多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的可用狀態(tài)。幾乎所有的操作系統(tǒng)都支持。 epoll 調(diào)用 ：linux 2.6 內(nèi)核，屬于 select 調(diào)用的增強(qiáng)版本，優(yōu)化了 IO 的執(zhí)行效率。
IO 多路復(fù)用模型，通過(guò)減少無(wú)效的系統(tǒng)調(diào)用，減少了對(duì) CPU 資源的消耗。
Java 中的 NIO ，有一個(gè)非常重要的選擇器 ( Selector ) 的概念，也可以被稱為 多路復(fù)用器。通過(guò)它，只需要一個(gè)線程便可以管理多個(gè)客戶端連接。當(dāng)客戶端數(shù)據(jù)到了之后，才會(huì)為其服務(wù)。
AIO (Asynchronous I/O)
AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改進(jìn)版 NIO 2,它是異步 IO 模型。
異步 IO 是基于事件和回調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，也就是應(yīng)用操作之后會(huì)直接返回，不會(huì)堵塞在那里，當(dāng)后臺(tái)處理完成，操作系統(tǒng)會(huì)通知相應(yīng)的線程進(jìn)行后續(xù)的操作。
目前來(lái)說(shuō) AIO 的應(yīng)用還不是很廣泛。Netty 之前也嘗試使用過(guò) AIO，不過(guò)又放棄了。這是因?yàn)椋琋etty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系統(tǒng)上的性能并沒(méi)有多少提升。
最后，來(lái)一張圖，簡(jiǎn)單總結(jié)一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。
參考
《深入拆解 Tomcat & Jetty》 如何完成一次 IO：https://llc687.top/post/如何完成一次-io/ 程序員應(yīng)該這樣理解 IO：https://www.jianshu.com/p/fa7bdc4f3de7 10 分鐘看懂， Java NIO 底層原理：https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/10225159.html IO 模型知多少 | 理論篇：https://www.cnblogs.com/sheng-jie/p/how-much-you-know-about-io-models.html 《UNIX 網(wǎng)絡(luò)編程 卷 1；套接字聯(lián)網(wǎng) API 》6.2 節(jié) IO 模型
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