1.阻塞 IO 模型

? 最傳統(tǒng)的一種 IO 模型，即在讀寫數(shù)據(jù)過程中會發(fā)生阻塞現(xiàn)象。當(dāng)用戶線程發(fā)出 IO 請求之后，內(nèi)核會去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有就緒就會等待數(shù)據(jù)就緒，而用戶線程就會處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出 CPU。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒之后，內(nèi)核會將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除 block 狀態(tài)。典型的阻塞 IO 模型的例子為：data = socket.read();如果數(shù)據(jù)沒有就緒，就會一直阻塞在 read 方法。

2.非阻塞 IO 模型

? 當(dāng)用戶線程發(fā)起一個 read 操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結(jié)果。如果結(jié)果是一個error 時，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送 read 操作。一旦內(nèi)核中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶線程的請求，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶線程，然后返回。所以事實(shí)上，在非阻塞 IO 模型中，用戶線程需要不斷地詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，也就說非阻塞 IO不會交出 CPU，而會一直占用 CPU。典型的非阻塞 IO 模型一般如下：

while(true){data = socket.read();if (data != error) {處理數(shù)據(jù)break;}
}

? 但是對于非阻塞 IO 就有一個非常嚴(yán)重的問題，在 while 循環(huán)中需要不斷地去詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，這樣會導(dǎo)致 CPU 占用率非常高，因此一般情況下很少使用 while 循環(huán)這種方式來讀取數(shù)據(jù)。

3.多路復(fù)用 IO 模型

? 多路復(fù)用 IO 模型是目前使用得比較多的模型。Java NIO 實(shí)際上就是多路復(fù)用 IO。在多路復(fù)用 IO模型中，會有一個線程不斷去輪詢多個 socket 的狀態(tài)，只有當(dāng) socket 真正有讀寫事件時，才真正調(diào)用實(shí)際的 IO 讀寫操作。因?yàn)樵诙嗦窂?fù)用 IO 模型中，只需要使用一個線程就可以管理多個socket，系統(tǒng)不需要建立新的進(jìn)程或者線程，也不必維護(hù)這些線程和進(jìn)程，并且只有在真正有socket 讀寫事件進(jìn)行時，才會使用 IO 資源，所以它大大減少了資源占用。在 Java NIO 中，是通過 selector.select()去查詢每個通道是否有到達(dá)事件，如果沒有事件，則一直阻塞在那里，因此這種方式會導(dǎo)致用戶線程的阻塞。多路復(fù)用 IO 模式，通過一個線程就可以管理多個 socket，只有當(dāng)socket 真正有讀寫事件發(fā)生才會占用資源來進(jìn)行實(shí)際的讀寫操作。因此，多路復(fù)用 IO 比較適合連接數(shù)比較多的情況。

? 另外多路復(fù)用 IO 為何比非阻塞 IO 模型的效率高是因?yàn)樵诜亲枞?IO 中，不斷地詢問 socket 狀態(tài)時通過用戶線程去進(jìn)行的，而在多路復(fù)用 IO 中，輪詢每個 socket 狀態(tài)是內(nèi)核在進(jìn)行的，這個效率要比用戶線程要高的多。

不過要注意的是，多路復(fù)用 IO 模型是通過輪詢的方式來檢測是否有事件到達(dá)，并且對到達(dá)的事件逐一進(jìn)行響應(yīng)。因此對于多路復(fù)用 IO 模型來說，一旦事件響應(yīng)體很大，那么就會導(dǎo)致后續(xù)的事件遲遲得不到處理，并且會影響新的事件輪詢。

4.信號驅(qū)動 IO 模型

? 在信號驅(qū)動 IO 模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起一個 IO 請求操作，會給對應(yīng)的 socket 注冊一個信號函數(shù)，然后用戶線程會繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒時會發(fā)送一個信號給用戶線程，用戶線程接收到信號之后，便在信號函數(shù)中調(diào)用 IO 讀寫操作來進(jìn)行實(shí)際的 IO 請求操作。

2.8.5. 異步 IO 模型

? 異步 IO 模型才是最理想的 IO 模型，在異步 IO 模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起 read 操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從內(nèi)核的角度，當(dāng)它受到一個 asynchronous read 之后，它會立刻返回，說明 read 請求已經(jīng)成功發(fā)起了，因此不會對用戶線程產(chǎn)生任何 block。然后，內(nèi)核會等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，當(dāng)這一切都完成之后，內(nèi)核會給用戶線程發(fā)送一個信號，告訴它 read 操作完成了。也就說用戶線程完全不需要實(shí)際的整個 IO 操作是如何進(jìn)行的，只需要先發(fā)起一個請求，當(dāng)接收內(nèi)核返回的成功信號時表示 IO 操作已經(jīng)完成，可以直接去使用數(shù)據(jù)了。

? 也就說在異步 IO 模型中，IO 操作的兩個階段都不會阻塞用戶線程，這兩個階段都是由內(nèi)核自動完成，然后發(fā)送一個信號告知用戶線程操作已完成。用戶線程中不需要再次調(diào)用 IO 函數(shù)進(jìn)行具體的讀寫。這點(diǎn)是和信號驅(qū)動模型有所不同的，在信號驅(qū)動模型中，當(dāng)用戶線程接收到信號表示數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，然后需要用戶線程調(diào)用 IO 函數(shù)進(jìn)行實(shí)際的讀寫操作；而在異步 IO 模型中，收到信號表示 IO 操作已經(jīng)完成，不需要再在用戶線程中調(diào)用 IO 函數(shù)進(jìn)行實(shí)際的讀寫操作。

? 注意，異步 IO 是需要操作系統(tǒng)的底層支持，在 Java 7 中，提供了 Asynchronous IO。

6.JAVA IO 包

7.JAVA NIO

? NIO 主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩沖區(qū)), Selector。傳統(tǒng) IO 基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作，而 NIO 基于 Channel 和 Buffer(緩沖區(qū))進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。Selector(選擇區(qū))用于監(jiān)聽多個通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個線程可以監(jiān)聽多個數(shù)據(jù)通道。

? NIO 和傳統(tǒng) IO 之間第一個最大的區(qū)別是，IO 是面向流的，NIO 是面向緩沖區(qū)的。

7.1.NIO 的緩沖區(qū)

? Java IO 面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數(shù)據(jù)。如果需要前后移動從流中讀取的數(shù)據(jù)，需要先將它緩存到一個緩沖區(qū)。NIO 的緩沖導(dǎo)向方法不同。數(shù)據(jù)讀取到一個它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時可在緩沖區(qū)中前后移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含所有您需要處理的數(shù)據(jù)。而且，需確保當(dāng)更多的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時，不要覆蓋緩沖區(qū)里尚未處理的數(shù)據(jù)。

7.2.NIO 的非阻塞

? IO 的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個線程調(diào)用 read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 NIO 的非阻塞模式，使一個線程從某通道發(fā)送請求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。 線程通常將非阻塞 IO 的空閑時間用于在其它通道上執(zhí)行 IO 操作，所以一個單獨(dú)的線程現(xiàn)在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

8.Channel

? 首先說一下 Channel，國內(nèi)大多翻譯成“通道”。Channel 和 IO 中的 Stream(流)是差不多一個等級的。只不過 Stream 是單向的，譬如：InputStream, OutputStream，而 Channel 是雙向的，既可以用來進(jìn)行讀操作，又可以用來進(jìn)行寫操作。

NIO 中的 Channel 的主要實(shí)現(xiàn)有：

1. FileChannel
2. DatagramChannel
3. SocketChannel
4. ServerSocketChannel

這里看名字就可以猜出個所以然來：分別可以對應(yīng)文件 IO、UDP 和 TCP（Server 和 Client）。

下面演示的案例基本上就是圍繞這 4 個類型的 Channel 進(jìn)行陳述的。

9.Buffer

? Buffer，故名思意，緩沖區(qū)，實(shí)際上是一個容器，是一個連續(xù)數(shù)組。Channel 提供從文件、網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)都必須經(jīng)由 Buffer。

? 上面的圖描述了從一個客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，然后服務(wù)端接收數(shù)據(jù)的過程?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)時，必須先將數(shù)據(jù)存入 Buffer 中，然后將 Buffer 中的內(nèi)容寫入通道。服務(wù)端這邊接收數(shù)據(jù)必須通過 Channel 將數(shù)據(jù)讀入到 Buffer 中，然后再從 Buffer 中取出數(shù)據(jù)來處理。

? 在 NIO 中，Buffer 是一個頂層父類，它是一個抽象類，常用的 Buffer 的子類有：ByteBuffer、IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer

10.Selector

? Selector 類是 NIO 的核心類，Selector 能夠檢測多個注冊的通道上是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，便獲取事件然后針對每個事件進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)處理。這樣一來，只是用一個單線程就可以管理多個通道，也就是管理多個連接。這樣使得只有在連接真正有讀寫事件發(fā)生時，才會調(diào)用函數(shù)來進(jìn)行讀寫，就大大地減少了系統(tǒng)開銷，并且不必為每個連接都創(chuàng)建一個線程，不用去維護(hù)多個線程，并且避免了多線程之間的上下文切換導(dǎo)致的開銷。