# javaio

**Repository Path**: sunt/javaio

## Basic Information

- **Project Name**: javaio
- **Description**: java IO 模型学习及示例代码
- **Primary Language**: Java
- **License**: LGPL-2.1
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2017-06-06
- **Last Updated**: 2020-12-18

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# java IO模型


## 阻塞和非阻塞
* 阻塞：线程进行读写时，如果没有东西读或者暂时不可写，程序就会陷入等待状态，直到读到东西或者可写为止。
* 非阻塞：如果没有东西可读或者不可写，读写函数立即返回，而不等待。

## 同步和异步
* 同步：用户操作后等待或者轮询的去查看操作是否就绪
* 异步：用户操作后便开始其他的动作，而这个操作完成后用户会得到完成通知。

## Unix的IO模型
* 阻塞IO
* 非阻塞IO
* IO复用
* 信号驱动的IO
* 异步IO

### 阻塞IO
独立IO线程配合，java的BIO就是这种模型，一个Socket需要一个独立线程，因此会带来线程膨胀的问题。
有两个阶段：

* 第一阶段：等待数据就绪。网络I/O的话就是等待数据抵达。磁盘IO的情况等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中
* 第二阶段：数据从内核拷贝到进程。出于系统安全，用户态程序没有权限直接读取到内核态内存，因此内核负责把内核态内存中数据拷贝到用户态内存。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963720485310.jpg)




### 非阻塞IO

* socket设置为NONBLOCK（非阻塞）就是告诉内核，当所有的IO操作无法完成时，不要讲进程睡眠，而是返回一个错误码（EWOULDBLOCK），这样请求就不会阻塞。
* IO操作函数将不断的测试数据是否已准备好，直到数据准备好为止。在这个过程中，虽然用户线程每次发起IO请求后可以立即返回，但是不断轮询，重复请求，消耗的大量CPU资源。
* 数据准备好，从内核拷贝到用户空间
* 一般很少直接使用这种模型，而是在其他I/O模型中使用这一特性。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963722881536.jpg)

### IO复用/异步阻塞IO

I/O 多路复用会用到 select 或者 poll 函数，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963728520567.jpg)

从流程上来看，使用 select 函数进行 I/O 请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视 socket，以及调用 select 函数的额外操作，效率更差。但是，使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 I/O 请求。用户可以注册多个 socket，然后不断地调用 select 读取被激活的 socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个 I/O 请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

调用 select / poll 该方法由一个用户态线程负责轮询多个 socket,直到某个阶段1的数据就绪,再通知实际的用户线程执行阶段2的拷贝。 通过一个专职的用户态线程执行非阻塞I/O轮询,模拟实现了阶段一的异步化

### 信号驱动 I/O（SIGIO）

首先我们允许 socket 进行信号驱动 I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。
![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963737598722.jpg)

### 异步 I/O

调用 aio_read 函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

告知内核,当整个过程(包括阶段1和阶段2)全部完成时,通知应用程序来读数据。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963745772823.jpg)

### 几种IO模型比较

前四种模型的区别是阶段1不相同，阶段2基本相同，都是将数据从内核拷贝到调用者的缓冲区。而异步 I/O 的两个阶段都不同于前四个模型。

同步 I/O 操作引起请求进程阻塞，直到 I/O 操作完成。异步 I/O 操作不引起请求进程阻塞。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14963747183155.jpg)





### 同步IO
一个IO操作结束之后才返回，效率会比较低，但是对应用来说编程方式会简单。java的BIO和NIO都是使用这种方式处理数据的。

### 异步IO
异步IO请求只是写入缓存，从缓存到硬盘是否成功不可知，因此异步IO相当于把一个IO拆成两个部分，一个是发起请求，二是获取处理结果。因此增加的系统复杂度，但是性能是最好的。

## Java 的IO模型

* BIO

用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行

* NIO 一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础。

![](http://o7tc5fosm.bkt.clouddn.com/14967189811712.jpg)



* AIO:JAVA AIO(NIO.2)异步非阻塞，一个有效请求一个线程
	* Future

	即提交一个 I/O 操作请求，返回一个 Future。然后您可以对 Future 进行检查，确定它是否完成，或者阻塞 IO 操作直到操作正常完成或者超时异常。其实可以认为是一个同步IO。
	
	* Callback 

	即提交一个 I/O 操作请求，并且指定一个 CompletionHandler。当异步 I/O 操作完成时，便发送一个通知，此时这个 CompletionHandler 对象的 completed 或者 failed 方法将会被调用。

	在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了

从IO到NIO有两方面变化：

* 面向流 到 面向块（缓冲）
	* JAVA IO 是面向流的，每次从流中读取一个或者多个字节，知道读取完。另外不能前后移动流的数据
	* NIO是面向块的。数据会被读取（写入）到缓冲区，需要时可在缓冲区处理数据。
	 
* 阻塞 到 非阻塞
	* JAVA IO 的各种流都是阻塞的。到有线程调用read 或者write方法时，该线程被阻塞。
	* NIO是非阻塞，请求是不会不会阻塞当前线程，所以一个线程可以管理多个输入，输出通道。 


### 两种高性能的IO模式
* 多线程

客户端来一个连接请求，服务器端就会新建一个线程来处理该请求的读写事件。
优点：服务端和客户端都是处理方便
缺点：线程资源占得过大

* 线程池

线程池。创建固定大小的线程池，来一个新建链接请求就从线程池取一个空闲线程来处理，处理完成后在吧线程交回线程池，使得线程可以重用。
线程池的缺点：如果都是长连接，就会导致线程池中线程都被占用，新来的连接由于没有可用线程就会导致客户端连接失败。线程池是和大量短连接应用。

* Reactor 

	Reactor模式，会先对每个client注册感兴趣的事件，然后有个线程专门去轮询每个client是否有事件发生，当有时间发生时，便顺序处理事件，所有事件处理完成后，再去轮询其他事件。
	多路复用IO就是采用Reactor模式。
	
* Proactor

Proactor模式，当检测到有事件发生时，会新起一个异步操作，然后交由内核线程去处理，当内核线程完成IO操作之后，便发送一个通知告知操作已完成。异步IO模型就是Proactor模式。