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Java?IO模型之BIO、NIO、AIO三種常見IO模型解析

更新時(shí)間：2024年07月15日 08:59:55 作者：JavaBuild

這篇文章主要介紹了今天我們來聊Java?IO模型,BIO、NIO、AIO三種常見IO模型,我們從應(yīng)用調(diào)用的過程中來分析一下整個(gè)IO的執(zhí)行過程,不過在此之前,我們需要簡(jiǎn)單的了解一下整個(gè)操作系統(tǒng)的空間布局,需要的朋友可以參考下

一、寫在開頭

很久沒更新嘍，最近build哥一直在忙著工作，忙著寫小說，都忘記學(xué)習(xí)自己的本職了，哈哈，不過現(xiàn)在正式回歸！
我們繼續(xù)學(xué)習(xí)Java的IO相關(guān)內(nèi)容，之前我們了解到，所謂的IO（Input/Output）就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間通信的過程。

二、IO調(diào)用過程

接下來我們從應(yīng)用調(diào)用的過程中來分析一下整個(gè)IO的執(zhí)行過程。不過在此之前，我們需要簡(jiǎn)單的了解一下整個(gè)操作系統(tǒng)的空間布局。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空間（User space）和內(nèi)核空間（Kernel space ）。

內(nèi)核空間： 是操作系統(tǒng)內(nèi)核所使用的空間，用來存儲(chǔ)底層內(nèi)核代碼、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)核級(jí)別的系統(tǒng)調(diào)用。內(nèi)核空間擁有比較高的權(quán)限，比如文件管理、進(jìn)程通信、內(nèi)存管理等等。
用戶空間： 用戶級(jí)別的應(yīng)用程序和服務(wù)分配的內(nèi)存區(qū)域。它包含了應(yīng)用程序的代碼、數(shù)據(jù)和運(yùn)行時(shí)堆棧。用戶空間與內(nèi)核空間相對(duì)隔離，具有較低的權(quán)限級(jí)別，不能直接訪問內(nèi)核空間或硬件資源。

所以說，我們想要進(jìn)行 IO 操作，一定是要依賴內(nèi)核空間的能力。平常開發(fā)過程中接觸最多的就是磁盤 IO（讀寫文件）和網(wǎng)絡(luò) IO（網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求和響應(yīng)）。

執(zhí)行步驟：

應(yīng)用程序發(fā)起IO請(qǐng)求；系統(tǒng)內(nèi)核接受到系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求；內(nèi)核等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間；IO輸出給應(yīng)用程序。

三、IO常用模型

在UNIX系統(tǒng)中，我們所提到的IO模型一般是這四種：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng) I/O 和異步 I/O。

不過，在日常使用中，我們常用的多為 BIO(Blocking I/O)：同步阻塞 IO 模型、NIO (Non-blocking/New I/O)：同步非阻塞 IO 模型、AIO (Asynchronous I/O)：異步 IO 模型。

3.1 BIO (Blocking I/O)

在傳統(tǒng)的IO中，多以這種同步阻塞的IO模型為主，這種模型下，程序發(fā)起IO請(qǐng)求后，處理線程處于阻塞狀態(tài)，直到請(qǐng)求的IO數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。如下圖可以直觀的體現(xiàn)整個(gè)流程（圖源：沉默王二）。

如果發(fā)起IO的應(yīng)用程序并發(fā)量不高的情況下，這種模型是沒問題的。但很明顯，當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)中，很多應(yīng)用都有高并發(fā)IO請(qǐng)求的情況，這時(shí)就迫切的需要一款高效的IO模型啦。

3.2 NIO (Non-blocking/New I/O)

這種NIO模型，這個(gè)N既可以命名為NEW代表一種新型的IO模型，又可以理解為Non-Blocking，非阻塞之意。

Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基于通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）進(jìn)行操作，采用非阻塞式 IO 操作，允許線程在等待 IO 時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)。常見的 NIO 類有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。（圖源：深入拆解Tomcat & Jetty）

雖然在應(yīng)用發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)，之多多次發(fā)起，無(wú)須阻塞。但在內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間時(shí)，還是會(huì)阻塞的，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

3.3 I/O 多路復(fù)用模型

在同步非阻塞IO模型下，需要通過不斷的輪詢?nèi)z查請(qǐng)求數(shù)據(jù)是否已經(jīng)完成，這個(gè)過程是很耗CPU的。因此，便又誕生了I/O多路復(fù)用模型。

I/O 多路復(fù)用模型：使用操作系統(tǒng)提供的多路復(fù)用功能（如 select、poll、epoll 等），使得單個(gè)線程可以同時(shí)處理多個(gè) I/O 事件。當(dāng)某個(gè)連接上的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)通知應(yīng)用程序。這樣，應(yīng)用程序可以在一個(gè)線程中處理多個(gè)并發(fā)連接，而不需要為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)線程。（圖源：沉默王二）

3.4 AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改進(jìn)版 NIO 2,它是異步 IO 模型。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，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)的線程進(jìn)行后續(xù)的操作。

總結(jié)

以上BIO、NIO、AIO三種常見的IO模型是Java面試中最?？嫉?，大家一定要記住其各自的特點(diǎn)和作用。

阻塞 I/O：應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作時(shí)，會(huì)一直等待數(shù)據(jù)傳輸完成，期間無(wú)法執(zhí)行其他任務(wù)。非阻塞 I/O：應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作時(shí)，如果數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好，立即返回錯(cuò)誤狀態(tài)，不等待數(shù)據(jù)傳輸完成，可執(zhí)行其他任務(wù)。異步 I/O：應(yīng)用程序發(fā)起 I/O 操作后，內(nèi)核負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸過程，完成后通知應(yīng)用程序。應(yīng)用程序無(wú)需等待數(shù)據(jù)傳輸，可執(zhí)行其他任務(wù)。

到此這篇關(guān)于今天我們來聊Java IO模型，BIO、NIO、AIO三種常見IO模型的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java IO模型內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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