京東數科二面：常見的 IO 模型有哪些？Java 中的 BIO、NIO、AIO 有啥區別？

IO 模型這塊確實挺難理解的，需要太多計算機底層知識。寫這篇文章用了挺久，就非常希望能把我所知道的講出來吧!希望朋友們能有收貨！為了寫這篇文章，還翻看了一下《UNIX 網絡編程》這本書，太難了，我滴乖乖！心痛~

個人能力有限。如果文章有任何需要補充/完善/修改的地方，歡迎在評論區指出，共同進步！

前言

I/O 一直是很多小伙伴難以理解的一個知識點，這篇文章我會將我所理解的 I/O 講給你聽，希望可以對你有所幫助。

I/O

何為 I/O?

I/O（Input/Outpu） 即輸入／輸出 。

我們先從計算機結構的角度來解讀一下 I/O。

根據馮.諾依曼結構，計算機結構分為 5 大部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。

輸入設備（比如鍵盤）和輸出設備（比如鼠標）都屬於外部設備。網卡、硬盤這種既可以屬於輸入設備，也可以屬於輸出設備。

輸入設備向計算機輸入數據，輸出設備接收計算機輸出的數據。

從計算機結構的視角來看的話， I/O 描述了計算機系統與外部設備之間通信的過程。

我們再先從應用程序的角度來解讀一下 I/O。

根據大學里學到的操作系統相關的知識：為了保證操作系統的穩定性和安全性，一個進程的地址空間划分為 用戶空間（User space） 和 內核空間（Kernel space ） 。

像我們平常運行的應用程序都是運行在用戶空間，只有內核空間才能進行系統態級別的資源有關的操作，比如如文件管理、進程通信、內存管理等等。也就是說，我們想要進行 IO 操作，一定是要依賴內核空間的能力。

並且，用戶空間的程序不能直接訪問內核空間。

當想要執行 IO 操作時，由於沒有執行這些操作的權限，只能發起系統調用請求操作系統幫忙完成。

因此，用戶進程想要執行 IO 操作的話，必須通過 系統調用 來間接訪問內核空間

我們在平常開發過程中接觸最多的就是 磁盤 IO（讀寫文件） 和 網絡 IO（網絡請求和相應）。

從應用程序的視角來看的話，我們的應用程序對操作系統的內核發起 IO 調用（系統調用），操作系統負責的內核執行具體的 IO 操作。也就是說，我們的應用程序實際上只是發起了 IO 操作的調用而已，具體 IO 的執行是由操作系統的內核來完成的。

當應用程序發起 I/O 調用后，會經歷兩個步驟：

1. 內核等待 I/O 設備准備好數據
2. 內核將數據從內核空間拷貝到用戶空間。

有哪些常見的 IO 模型?

UNIX 系統下， IO 模型一共有 5 種： 同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路復用、信號驅動 I/O 和異步 I/O。

這也是我們經常提到的 5 種 IO 模型。

Java 中 3 種常見 IO 模型

BIO (Blocking I/O)

BIO 屬於同步阻塞 IO 模型 。

同步阻塞 IO 模型中，應用程序發起 read 調用后，會一直阻塞，直到在內核把數據拷貝到用戶空間。

在客戶端連接數量不高的情況下，是沒問題的。但是，當面對十萬甚至百萬級連接的時候，傳統的 BIO 模型是無能為力的。因此，我們需要一種更高效的 I/O 處理模型來應對更高的並發量。

NIO (Non-blocking/New I/O)

Java 中的 NIO 於 Java 1.4 中引入，對應 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，基於通道的 I/O 操作方法。 對於高負載、高並發的（網絡）應用，應使用 NIO 。

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路復用模型。也有很多人認為，Java 中的 NIO 屬於同步非阻塞 IO 模型。

跟着我的思路往下看看，相信你會得到答案！

我們先來看看 同步非阻塞 IO 模型。

同步非阻塞 IO 模型中，應用程序會一直發起 read 調用，等待數據從內核空間拷貝到用戶空間的這段時間里，線程依然是阻塞的，直到在內核把數據拷貝到用戶空間。

相比於同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型確實有了很大改進。通過輪詢操作，避免了一直阻塞。

但是，這種 IO 模型同樣存在問題：應用程序不斷進行 I/O 系統調用輪詢數據是否已經准備好的過程是十分消耗 CPU 資源的。

這個時候，I/O 多路復用模型 就上場了。

IO 多路復用模型中，線程首先發起 select 調用，詢問內核數據是否准備就緒，等內核把數據准備好了，用戶線程再發起 read 調用。read 調用的過程（數據從內核空間->用戶空間）還是阻塞的。

目前支持 IO 多路復用的系統調用，有 select，epoll 等等。select 系統調用，是目前幾乎在所有的操作系統上都有支持

• select 調用 ：內核提供的系統調用，它支持一次查詢多個系統調用的可用狀態。幾乎所有的操作系統都支持。
• epoll 調用 ：linux 2.6 內核，屬於 select 調用的增強版本，優化了 IO 的執行效率。

IO 多路復用模型，通過減少無效的系統調用，減少了對 CPU 資源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一個非常重要的選擇器 ( Selector ) 的概念，也可以被稱為 多路復用器。通過它，只需要一個線程便可以管理多個客戶端連接。當客戶端數據到了之后，才會為其服務。

AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改進版 NIO 2,它是異步 IO 模型。

異步 IO 是基於事件和回調機制實現的，也就是應用操作之后會直接返回，不會堵塞在那里，當后台處理完成，操作系統會通知相應的線程進行后續的操作。

目前來說 AIO 的應用還不是很廣泛。Netty 之前也嘗試使用過 AIO，不過又放棄了。這是因為，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系統上的性能並沒有多少提升。

最后，來一張圖，簡單總結一下 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/
• 程序員應該這樣理解 IO：https://www.jianshu.com/p/fa7bdc4f3de7
• 10 分鍾看懂， 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 網絡編程 卷 1；套接字聯網 API 》6.2 節 IO 模型