在網(wǎng)絡(luò)I/O之中，I/O操作往往會(huì)涉及到兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)象，一個(gè)是用戶空間調(diào)用I/O的進(jìn)程或者線程，另一個(gè)是內(nèi)核空間的內(nèi)核系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生I/O操作時(shí)，會(huì)經(jīng)歷以下兩個(gè)階段：

1. 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒

2. 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程或線程中

因?yàn)樵谝陨蟽蓚€(gè)階段上各有不同的情況，所以出現(xiàn)了多種I/O模型。

如下圖所示：

1、I/O的介紹

I/O 操作（Input/Output Operation）指的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與外部環(huán)境（如網(wǎng)絡(luò)、磁盤、鍵盤、顯示器等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程。

1.1、I/O 操作分類

1.網(wǎng)絡(luò)輸入（接收數(shù)據(jù)）：

如 recv() 或 read() 函數(shù)，用于從網(wǎng)絡(luò)連接中讀取數(shù)據(jù)。

2.網(wǎng)絡(luò)輸出（發(fā)送數(shù)據(jù)）：

如 send() 或 write() 函數(shù)，用于向網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.網(wǎng)絡(luò)連接管理：

如 accept() 函數(shù)，用于接受來自客戶端的連接請(qǐng)求。

4.網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽：

如 listen() 函數(shù)，用于監(jiān)聽進(jìn)入的連接請(qǐng)求。

1.2、I/O操作流程階段

通常用戶進(jìn)程中的一個(gè)完整I/O分為兩個(gè)階段：

用戶進(jìn)程空間→內(nèi)核空間 ，內(nèi)核空間→設(shè)備空間；

整體模型圖所示：

1.3、I/O分類

I/O分為內(nèi)存I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O和磁盤I/O三種。

1、內(nèi)存I/O

涉及直接與計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如讀取和寫入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

2、網(wǎng)絡(luò)I/O

涉及通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換，例如從服務(wù)器下載文件或向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。

3、磁盤I/O

涉及與存儲(chǔ)設(shè)備（如硬盤驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)硬盤）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如讀取和寫入磁盤上的文件。

Linux中進(jìn)程無法直接操作I/O設(shè)備，其必須通過系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求內(nèi)核來協(xié)助完成I/O操作。 內(nèi)核會(huì)為每個(gè)I/O設(shè)備（例如硬盤、網(wǎng)絡(luò)接口）維護(hù)一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)是內(nèi)存中的一塊區(qū)域，用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以提高I/O操作的效率。

對(duì)于一個(gè)輸入操作來說，進(jìn)程I/O系統(tǒng)調(diào)用（如 read()）讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)先看為該設(shè)備維護(hù)的緩沖區(qū)，看看是否已經(jīng)有待處理的數(shù)據(jù)。沒有的話再到設(shè)備（比如網(wǎng)卡設(shè)備）中讀?。ㄒ?yàn)樵O(shè)備I/O一般速度較慢，需要等待）。

如果緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù)，內(nèi)核會(huì)發(fā)起設(shè)備I/O操作，從設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)接口卡、磁盤等）中讀取數(shù)據(jù)。由于設(shè)備I/O操作通常較慢，需要時(shí)間來完成，內(nèi)核會(huì)先等待數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)備緩沖區(qū)，再進(jìn)行處理。

如下圖所示：

所以，對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入操作通常包括兩個(gè)不同階段：

1、等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)卡，把數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡讀取到內(nèi)核緩沖區(qū)，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

2、從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶進(jìn)程空間。

注意：

• 如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)：內(nèi)核會(huì)直接從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶進(jìn)程的地址空間。
• 這種情況通常較快，因?yàn)閿?shù)據(jù)已經(jīng)在內(nèi)核空間中，可以快速傳遞給用戶進(jìn)程。

小結(jié)

• Socket：在Linux中，socket是一種用于網(wǎng)絡(luò)通信的抽象接口，提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。socket可以被看作是一個(gè)端點(diǎn)，允許進(jìn)程通過它進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
• 流的抽象：在Linux中，socket被視為一種流（例如TCP流），它允許進(jìn)程以流式方式讀寫數(shù)據(jù)。對(duì)于TCP協(xié)議來說，數(shù)據(jù)流是有序的、可靠的。

流的抽象可以理解為像流水一樣的數(shù)據(jù)傳輸方式，強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和按序性，而不關(guān)心數(shù)據(jù)的具體格式。當(dāng)使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層只處理數(shù)據(jù)的流動(dòng)，應(yīng)用層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解析和處理。

I/O操作：對(duì)socket的讀寫操作實(shí)際上是對(duì)網(wǎng)絡(luò)流的操作。當(dāng)進(jìn)程發(fā)起對(duì)socket的讀取操作時(shí)，內(nèi)核會(huì)檢查緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)可用。如果有，數(shù)據(jù)會(huì)被傳遞給進(jìn)程；如果沒有，進(jìn)程會(huì)被阻塞直到數(shù)據(jù)到達(dá)。

2、同步I/O

2.1、阻塞I/O

也稱為BIO（Blocking I/O）。

1.核心原理

• 阻塞式 I/O：每個(gè)連接由一個(gè)線程處理，線程在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)阻塞，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。
• 典型模型：一請(qǐng)求一線程（One Thread Per Connection）。
• 底層機(jī)制：基于InputStream和OutputStream的阻塞操作。

整體原理圖如下所示：

流程如下：

• 第一步通常涉及等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)，當(dāng)所有等待分組到達(dá)時(shí)，它被復(fù)制到內(nèi)核中的某個(gè)緩沖區(qū)。
• 第二步是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用程序緩沖區(qū)。

在Linux中，默認(rèn)情況下，阻塞I/O的所有套接字都是阻塞的。

2.代碼示例

// BIO 服務(wù)器示例
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞，等待連接
new Thread(() -> {
InputStream input = socket.getInputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int len = input.read(buffer); // 阻塞，等待數(shù)據(jù)
System.out.println(new String(buffer, 0, len));
}).start();
}

3.優(yōu)點(diǎn)

• 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單：代碼結(jié)構(gòu)直觀，適合小規(guī)模應(yīng)用。
• 調(diào)試方便：線程模型清晰，便于排查問題。

4.缺點(diǎn)

• 性能瓶頸：高并發(fā)時(shí)，線程數(shù)激增，占用大量?jī)?nèi)存和 CPU，容易導(dǎo)致資源耗盡。
• 擴(kuò)展性差：不適合處理成千上萬的并發(fā)連接。

5.適用場(chǎng)景

• 低并發(fā)場(chǎng)景：如小型客戶端/服務(wù)器應(yīng)用（如命令行工具、簡(jiǎn)單的 HTTP 服務(wù)）。
• 簡(jiǎn)單協(xié)議處理：對(duì)性能要求不高的場(chǎng)景。

2.2、非阻塞I/O

允許應(yīng)用程序在數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好時(shí)不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

（Non-blocking I/O）模型如下所示：

流程如下：

非阻塞的recvform系統(tǒng)調(diào)用之后，進(jìn)程并沒有被阻塞，內(nèi)核馬上返回給進(jìn)程，如果數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，此時(shí)會(huì)返回一個(gè)error（EAGAIN或EWOULDBLOCK）。

進(jìn)程在返回之后，可以先處理其他的業(yè)務(wù)邏輯，稍后再發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用。 采用輪詢的方式檢查內(nèi)核數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。再拷貝數(shù)據(jù)到進(jìn)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在Linux下，可以通過設(shè)置套接字選項(xiàng)使其變?yōu)榉亲枞?/strong>