Java IO初探

Java IO对大多数Java程序员来说是熟悉又陌生，熟悉的是感觉到处都有它的身影，小到简单的读取文件，大到各种服务器的应用，陌生的是Java IO背后到底是一个怎样的机制，今天就让我们去了解一下这位老朋友吧。本文不讲解Java IO如何具体使用，有这方面需求的同学可以自己查下。

IO模型

要说IO，就不得不说IO模型，IO模型大家都有所了解，同步异步，阻塞非阻塞什么的，总的来说IO模型可分为以下五种：

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• 多路复用IO
• 信号驱动IO
• 异步IO

那么这几种IO都有什么区别呢？下面我们一一来看，每种模型我都会举一个适当的例子助于理解：

1.阻塞IO

阻塞IO相信大家都最熟悉了，线程发起一个IO请求，直到有结果返回，否则则一直阻塞等待，比如我们平常常见的阻塞数据库操作，网络IO等。

小明阻塞IO吃饭：

五年前一天周末，小明和朋友一起去商场的外婆家吃饭，到店后发现排队的人超多，所以他就领了一个号码，然后他和朋友就坐在旁边等候，一直等着服务员叫他们的号，也不能做其他事，过了一个多小时终于轮到他们了，然后他们进店点菜，又得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时；

关键部分：

• 等待座位吃饭：一直阻塞，直到有座位
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

没什么说的，反正就是一直等，反应到程序中就是一直阻塞，而一个IO请求需要一个线程，可想而知当有大量的IO请求，线程的创建和销毁，线程间的切换，线程所占用的资源等等要耗费多少时间和资源，系统的性能会有多差。

2.非阻塞IO

非阻塞IO和阻塞IO的最大区别就在于线程发起一个IO请求,不会一直堵塞直到有数据，而是不断的检查是否已有数据，若有数据则读取数据。

小明非阻塞IO吃饭：

有了第一次的教训，小明学乖了，他在拿到后不再傻傻的等着，而是去外婆家旁边逛了逛，每过3分钟他就会回来，然后跑到前台去询问服务员轮到他了吗？不幸的是，排队的人超多，直到过了半个多小时后才轮到他进店吃饭，期间他大概问了十几次，他们进店点菜，又得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时，基本也没做啥其他事；

关键部分：

• 领号后询问是否轮到他：非阻塞，非询问期间可以做点别的事,但也不做了啥大事
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

总的来说非阻塞IO的非阻塞主要体现在不需要一直等待到有数据，当然读数据那部分操作还是阻塞的，另外这种非阻塞模式需要用户线程自己不断询问检查，其实效率也不是太高，实际编程中运用的也不多。

3.多路复用IO

既然上面我们说到非阻塞IO的缺点，那么有没有什么方式改进呢？答案是当然有，那就是多路复用IO，我理解的它的特点就是复用，首先它也是一种非阻塞IO的模型，只不过上面说到轮询的方式用了不同的方式处理了，当一个线程发起IO请求，系统会将它注册到一个单独管理IO请求的一个线程，之后该IO的相关操作的通知状态都有这个管理IO请求的线程处理，Java 1.4发布的NIO就是这种模式，我们可以大致来看一下它的流程：

// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 进行服务的绑定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8008));
// 这里的selector就相当于单独管理IO请求的线程
Selector selector = Selector.open();
// 注册到selector，等待连接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();  //为IO请求去轮询状态
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); //多个IO请求的状态
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) { //依次处理IO请求
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        doThing(key)
        ...
    }
}

可以看出Java NIO的模式就是多路复用IO模型的应用。

小明多路复用IO吃饭：

随着生意越来越好，外婆家发现好多顾客都堵在门口等待吃饭，等待区都站不下来人了，，思来想去，外婆家准备请一个人专门来维护顾客的排队请求，这样顾客取号后，就不用堵在门口了，我们叫他小A，小明这次取号后，将自己的相关信息告诉小A，并从小A那里获得了一个GPS（用于小A能快速找到小明，假设有了GPS后，小A能秒速找到小明），然后小明就跟朋友们开心的去逛商场，看看MM，买买衣服，而小A则不断的观察店里的情况，当有空座位出现的时候，他便会按照相关信息找到具体的顾客，将其带回进行用餐，但他们进店点菜，还得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时，但是他们不再需要排队等位，而是去做一些其他的事。

关键部分：

• 领号后委托给小A，小A观察到有空位后带回小明：非阻塞，领号后可以安心去做自己的事，不用担心错过
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

多路复用IO可以看成普通非阻塞IO的升级版，也是目前Java编程中用到比较多的IO模型，它的优势在于可以处理大量的IO请求，用一个线程管理所有的IO请求，无需像阻塞IO和非阻塞IO一样，每个IO需要一个线程处理，提升了系统的吞吐量。

4.信号驱动IO

信号驱动IO相对于以上几种模型最大的特点就是它支持内核信号通知，线程在发起一个IO请求后，会注册一个信号函数，然后内核在确认数据可读了，便会给相应的线程发送通知，让其进行具体IO读写操作。

小明信号驱动IO吃饭：

又了一段时间，外婆家通过使用复用IO模式缓解了排队拥挤的情况，但是觉得还要请一个人专门维护队列，感觉不划算，那么有没有一种更好的方式呢？经过一天的苦思冥想，外婆家的经理又想出一个好办法，让每个顾客在领完号后，关注一下外婆家的公众号，然后顾客就可以去做别的事了，定时或者当排队信息发生改变时给顾客发送通知，告知他现在的排队序号或者轮到他吃饭了，顾客可以根据相应的信息做相应的行为，比如快轮到了就开始往店里走（实际程序中并不一定有这种状态，这里只是大概模拟），或者轮到自己了然后进店吃饭，他们仍然不用排队等位，而是去做一些其他的事。

关键部分：

• 领号后关注公众号，注册关系：非阻塞，领号后可以安心去做自己的事，不用担心错过
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

就实际来说，信号驱动IO用的并不多，因为信号驱动IO底层是使用SIGIO信号，所以它主要使用在UDP协议上，因为UDP产生SIGIO信号的时候只有两种可能：

• 1.要么数据到达
• 2.发生错误

但相对TCP来说，产生SIGIO信号的地方太多了，比如请求连接，确认，断开，错误等等，所以我们很难根据SIGIO信号判断到底发生了什么。

5.异步IO

以上四种IO其实都还是同步IO，因为它们在读写数据时都是阻塞的，异步IO相较于它们最大的特点是它读写数据的时候也是非阻塞的，用户线程在发起一个IO请求的时候，除了给内核线程传递具体的IO请求外，还会给其传递数据缓冲区，回调函数通知等内容，然后用户线程就继续执行，等到内核线程发起相应通知的时候，说明数据已经准备就绪，用户线程直接使用即可，无需再阻塞从内核拷贝数据到用户线程。

小明异步IO吃饭：

有过了一段时间，小明又想吃外婆家了，但是这个周末他并不想出门，他突然在网上看到新闻说外婆家竟然可以叫外卖，小明高兴坏了，他马上打电话给外婆家，告诉它自己想要吃哪些菜（相当于IO请求所需要的数据），然后将自己的联系号码（相当于回调通知）和住址（相当于数据缓冲区）也告诉它，然后就挂掉电话，开心的做去打游戏了，过了半个小时后，手机响起，告知外卖已经到了，小明开门取外卖就可以直接开吃了。整个过程小明直到吃饭都没有等待阻塞。

关键部分：

• 叫外卖并提供相应的信息：非阻塞，打完电话后做自己的事
• 通知外卖到了：直接开门取外卖直接开吃，非阻塞

我们可以看出，异步IO才是真正的异步，因为它连数据拷贝这个过程都是非阻塞的，用户线程根本不用关心数据的读写等操作，只需等待内核线程通知后，直接处理数据即可，当然异步IO需要系统内核支持，比如Linux中的AIO和Windows中的IOCP，但是也可以通过多线程跟阻塞I/O模拟异步IO，比如可以在多路复用IO模型上进行相应的改变，另外也有现有的实现，比如异步I/O的库：libeio

最后用一张图总体概括一下Java IO（图片来自美团技术博客）：

Java IO概图：

多路复用IO在Linux中的实现

因为后续会讲到Java NIO，所以我们需要了解操作系统是如何支持多路复用IO的，Linux中支持支持三种多路IO复用机制，分别是select、poll和epoll，本来这里我想自己写的，但查阅了相应的一些资料后，发现自己的水平还是不够，这里我不准备班门弄斧了，因为我找到了很多写的比较好的文章，这里就给大家列一下，仅供参考：

• Linux系统编程——I/O多路复用select、poll、epoll的区别使用
• 聊聊IO多路复用之select、poll、epoll详解
• IO 多路复用是什么意思？

总结

这篇文章主要讲了最基础的IO模型，不过我认为最基础的往往是最重要的，只有理解了基础的原理，才能对基于它们实现的类库或者工具有更加深刻的认识，下一篇文章将会主要讲一下基于多路复用IO的Java NIO，敬请期待。