一、什么是 I/O？

?I/O 描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備（磁盤(pán)）之間通信的過(guò)程。

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(hù)空間（User space）?和?內(nèi)核空間（Kernel space ）?。用戶(hù)進(jìn)程（應(yīng)用程序）想要執(zhí)行 IO 操作的話(huà)，必須通過(guò)?系統(tǒng)調(diào)用?來(lái)間接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)核空間。

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：

1. 內(nèi)核等待 I/O 設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)——階段①
2. 內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶(hù)空間——階段②

二、同步與異步、阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞是針對(duì) 線(xiàn)程 來(lái)說(shuō)的；同步與異步是針對(duì) 整個(gè)I/O操作 來(lái)說(shuō)的

同步阻塞IO（BIO）：應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求后，需等待階段①和②都完成，在整個(gè)IO期間不能做別的，必須等待整個(gè)IO操作完成才可進(jìn)行下個(gè)任務(wù)。

同步非阻塞IO：應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求后，在階段①不斷輪詢(xún)內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，在階段②需阻塞等待，在整個(gè)IO期間不能做別的，必須等待整個(gè)IO操作完成才可進(jìn)行下個(gè)任務(wù)。

異步阻塞IO：應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求后，立刻返回，在等待階段①和②期間也不做別的（因?yàn)樽枞麙炱甬?dāng)前線(xiàn)程），就等著內(nèi)核通知。內(nèi)核完成①和②之后，發(fā)起回調(diào)，應(yīng)用程序可以直接處理數(shù)據(jù)。

異步非阻塞IO（AIO）：應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求后，立刻返回，在等待階段①和②期間做別的事。內(nèi)核完成①和②之后，發(fā)起回調(diào)，應(yīng)用程序可以直接處理數(shù)據(jù)。

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什么是阻塞和非阻塞？什么是同步和異步？什么是BIO、NIO、AIO？ - 沙灘de流沙 - 博客園 (cnblogs.com)

三、?I/O 多路復(fù)用模型?（NIO）

同步非阻塞IO的應(yīng)用程序不斷進(jìn)行 I/O 系統(tǒng)調(diào)用輪詢(xún)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。

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。

IO 多路復(fù)用模型中，線(xiàn)程首先發(fā)起 select 調(diào)用（階段①），詢(xún)問(wèn)內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒（一個(gè)線(xiàn)程管理多個(gè)客戶(hù)端連接，也就是在這期間詢(xún)問(wèn)每個(gè)連接），等內(nèi)核把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了（某一個(gè)連接），用戶(hù)線(xiàn)程再發(fā)起 read 調(diào)用（階段②）。read 調(diào)用的過(guò)程（數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間->用戶(hù)空間）還是阻塞的。

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四、深入理解

同步與異步（是誰(shuí)通知消息）

• 同步：?發(fā)起一個(gè)調(diào)用后，被調(diào)用者未處理完請(qǐng)求之前，調(diào)用不返回。需要反復(fù)詢(xún)問(wèn)數(shù)據(jù)是否就緒。

• 異步：?發(fā)起一個(gè)調(diào)用后，立刻得到被調(diào)用者的回應(yīng)表示已接收到請(qǐng)求，但是被調(diào)用者并沒(méi)有返回結(jié)果，此時(shí)我們可以處理其他的請(qǐng)求，被調(diào)用者通常依靠事件，回調(diào)等機(jī)制來(lái)通知調(diào)用者其返回結(jié)果。

同步和異步的區(qū)別最大在于——異步是被調(diào)用者來(lái)通知調(diào)用者處理結(jié)果。同步需要調(diào)用者自己反復(fù)詢(xún)問(wèn)處理結(jié)果。

阻塞和非阻塞（線(xiàn)程等待消息通知時(shí)的可不可以做別的事）

• 阻塞：?發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，調(diào)用者一直等待請(qǐng)求結(jié)果返回，無(wú)法從事其他任務(wù)，只有當(dāng)條件就緒才能繼續(xù)。

• 非阻塞：?發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，調(diào)用者不用一直等著結(jié)果返回，可以先去干其他事情。

同步非阻塞 和 異步非阻塞 區(qū)別

• 同步阻塞 是自己發(fā)起之后，就一直等待處理結(jié)果。
• 同步非阻塞 是自己等待消息通知，需自己反復(fù)詢(xún)問(wèn)處理結(jié)果。
• 異步非阻塞 是別人通過(guò)事件或回調(diào)機(jī)制來(lái)通知自己，自己不需要詢(xún)問(wèn)。

BIO（Socket 網(wǎng)絡(luò)編程）

1. 同步阻塞I/O
2. 一請(qǐng)求一線(xiàn)程
3. 面向流（Stream）。數(shù)據(jù)直接讀寫(xiě)到 Stream 對(duì)象中。
4. 不適合高并發(fā)場(chǎng)景

在 Java 虛擬機(jī)中，線(xiàn)程是寶貴的資源，線(xiàn)程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀成本很高，除此之外，線(xiàn)程的切換成本也是很高的。

痛點(diǎn)

1. 處理多個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求，就必須使用多線(xiàn)程。如果這個(gè)連接不做任何事情的話(huà)就會(huì)造成不必要的線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)。線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)大。線(xiàn)程之間的切換也會(huì)浪費(fèi)資源開(kāi)銷(xiāo)。
2. 如果并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)量增加會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程數(shù)急劇膨脹可能會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程堆棧溢出、創(chuàng)建新線(xiàn)程失敗等問(wèn)題，最終導(dǎo)致進(jìn)程宕機(jī)或者僵死，不能對(duì)外提供服務(wù)。

優(yōu)化（偽異步IO）

1. 可以通過(guò)?線(xiàn)程池機(jī)制?改善。當(dāng)有新的客戶(hù)端接入時(shí)，將客戶(hù)端的 Socket 封裝成一個(gè)Task（該任務(wù)實(shí)現(xiàn)java.lang.Runnable接口）投遞到后端的線(xiàn)程池中進(jìn)行處理，JDK 的線(xiàn)程池維護(hù)一個(gè)消息隊(duì)列和 N 個(gè)活躍線(xiàn)程，對(duì)消息隊(duì)列中的任務(wù)進(jìn)行處理。由于線(xiàn)程池可以設(shè)置消息隊(duì)列的大小和最大線(xiàn)程數(shù)，因此，它的資源占用是可控的，無(wú)論多少個(gè)客戶(hù)端并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，都不會(huì)導(dǎo)致資源的耗盡和宕機(jī)。
2. 避免了為每個(gè)請(qǐng)求都創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立線(xiàn)程造成的線(xiàn)程資源耗盡問(wèn)題。不過(guò)因?yàn)樗牡讓尤稳皇峭阶枞腂IO模型，因此無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。

NIO（SocketChannel 網(wǎng)絡(luò)編程）

1. I/O 多路復(fù)用模型
2. 多通道一線(xiàn)程
3. 面向緩沖區(qū)。所有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)到緩沖區(qū)。
4. 三大核心組件：
   • Buffer(緩沖區(qū))。在NIO厙中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它是直接讀到緩沖區(qū)中的; 在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，寫(xiě)入到緩沖區(qū)中。任何時(shí)候訪(fǎng)問(wèn)NIO中的數(shù)據(jù)，都是通過(guò)緩沖區(qū)進(jìn)行操作。
   • Channel（通道）。NIO 通過(guò)Channel（通道） 進(jìn)行讀寫(xiě)。通道是雙向的，可讀也可寫(xiě)，而流的讀寫(xiě)是單向的。無(wú)論讀寫(xiě)，通道只能和Buffer交互。因?yàn)?Buffer，通道可以異步地讀寫(xiě)。
   • Selector(選擇器)。NIO的選擇器用于使用單個(gè)線(xiàn)程管理多個(gè)通道。只有在通道里真正有讀寫(xiě)事件發(fā)生時(shí)(事件驅(qū)動(dòng))，才會(huì)交給線(xiàn)程讀寫(xiě)（Selector會(huì)一直詢(xún)問(wèn)每個(gè)通道有沒(méi)有讀寫(xiě)事件，這個(gè)過(guò)程是同步的），因此，它只需要較少的線(xiàn)程來(lái)處理這些通道。不必為每一個(gè)連接都創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，也不必去維護(hù)多個(gè)線(xiàn)程。避免了多個(gè)線(xiàn)程之間的上下文切換，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。（只有網(wǎng)絡(luò)IO才會(huì)使用選擇器，文件IO是不需要使用的）
5. 適合高并發(fā)場(chǎng)景

痛點(diǎn)

1. NIO的類(lèi)庫(kù)和API繁雜，學(xué)習(xí)成本高。
2. 需要熟悉Java多線(xiàn)程編程。這是因?yàn)镹IO編程涉及到Reactor模式，你必須對(duì)多線(xiàn)程和網(wǎng)絡(luò)編程非常熟悉，才能寫(xiě)出高質(zhì)量的NIO程序。

3. JDK 的 NIO 底層由 epoll 實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)飽受詬病的空輪詢(xún) bug 會(huì)導(dǎo)致 cpu 飆升 100%

當(dāng)我們調(diào)用socket.read()、socket.write()這類(lèi)阻塞函數(shù)的時(shí)候，這類(lèi)函數(shù)不能立即返回，也無(wú)法中斷，需要等待socket可讀或者可寫(xiě)，才會(huì)返回，因此一個(gè)線(xiàn)程只能處理一個(gè)請(qǐng)求。在這等待的過(guò)程中，cpu并不干活，（即阻塞住了），那么cpu的資源就沒(méi)有很好地利用起來(lái)。因此對(duì)于這種情況，我們使用多線(xiàn)程來(lái)提高cpu資源的利用率：在等待的這段時(shí)間，就可以切換到別的線(xiàn)程去處理事件，直到socket可讀或可寫(xiě)了，通過(guò)中斷信號(hào)通知cpu，再切換回來(lái)繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。例如線(xiàn)程A正在等待socket可讀，而線(xiàn)程B已經(jīng)就緒了，那么就可以先切換到線(xiàn)程B去處理。雖然上下文切換也會(huì)花一些時(shí)間，但是遠(yuǎn)比阻塞在線(xiàn)程A這里空等要好。當(dāng)然計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)際的情況比這復(fù)雜得多。

而NIO的讀寫(xiě)函數(shù)可以立刻返回，這就給了我們不開(kāi)線(xiàn)程利用CPU的最好機(jī)會(huì)：如果一個(gè)連接不能讀寫(xiě)（socket.read()返回0或者socket.write()返回0），我們可以把這件事記下來(lái)。因此只需要一個(gè)Selector不斷地輪詢(xún)這些事件，一旦有就緒的時(shí)間，處理即可。不需要多線(xiàn)程。

AIO

1. 異步非阻塞I/O
2. 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（發(fā)起請(qǐng)求后，線(xiàn)程直接返回干別的事，這個(gè)過(guò)程是異步的，只要等待操作完成后，通知該線(xiàn)程），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(xiàn)程進(jìn)行后續(xù)的操作。

痛點(diǎn)

1. 復(fù)雜性：雖然AIO的編程模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于其非阻塞的特性，編程復(fù)雜性可能會(huì)增加。例如，需要處理操作完成的通知，以及可能的并發(fā)問(wèn)題。
2. 資源消耗：AIO可能會(huì)消耗更多的系統(tǒng)資源。因?yàn)槊總€(gè)操作都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)回調(diào)函數(shù)，如果并發(fā)連接數(shù)非常大，可能會(huì)消耗大量的系統(tǒng)資源。
3. 可移植性：AIO在某些平臺(tái)上可能不可用或者性能不佳。因此，如果需要跨平臺(tái)的可移植性，可能需要考慮使用其他I/O模型。

BIO適合連接數(shù)目較少且固定的架構(gòu)。

NIO適合連接數(shù)目多，但是并發(fā)讀寫(xiě)操作相對(duì)較少的場(chǎng)景。

AIO則適合連接數(shù)目多，且并發(fā)讀寫(xiě)操作也多的場(chǎng)景。

五、思考題

看看你現(xiàn)在能回答這些問(wèn)題了嗎？

• 簡(jiǎn)單說(shuō)下 BIO、NIO 和 AIO？具體使用、區(qū)別及原理？
• BIO，NIO，AIO的痛點(diǎn)，怎么優(yōu)化？
• 為什么BIO比NIO性能差？簡(jiǎn)單講講區(qū)別？
• 假設(shè)有100個(gè)連接，采用NIO的方式要服務(wù)端要分配幾個(gè)線(xiàn)程，采用BIO的方式呢？

阿里畢玄-測(cè)試Java編程能力-我的回答（一）_java bio建立100個(gè)連接-CSDN博客

• 為啥要用異步IO不用多線(xiàn)程，不是一樣可以加速嗎？
• NIO的設(shè)計(jì)架構(gòu)？JDK中NIO有哪些重要組件？
• 同步、異步調(diào)用方式的具體實(shí)現(xiàn)