Java IO對(duì)大多數(shù)Java程序員來(lái)說(shuō)是熟悉又陌生，熟悉的是感覺(jué)到處都有它的身影，小到簡(jiǎn)單的讀取文件，大到各種服務(wù)器的應(yīng)用，陌生的是Java IO背后到底是一個(gè)怎樣的機(jī)制，今天就讓我們?nèi)チ私庖幌逻@位老朋友吧。本文不講解Java IO如何具體使用，有這方面需求的同學(xué)可以自己查下。

要說(shuō)IO，就不得不說(shuō)IO模型，IO模型大家都有所了解，同步異步，阻塞非阻塞什么的，總的來(lái)說(shuō)IO模型可分為以下五種：

阻塞IO

非阻塞IO

多路復(fù)用IO

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO

異步IO

那么這幾種IO都有什么區(qū)別呢？下面我們一一來(lái)看，每種模型我都會(huì)舉一個(gè)適當(dāng)?shù)睦又诶斫猓?/p> 1.阻塞IO

阻塞IO相信大家都最熟悉了，線程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求，直到有結(jié)果返回，否則則一直阻塞等待，比如我們平常常見(jiàn)的阻塞數(shù)據(jù)庫(kù)操作，網(wǎng)絡(luò)IO等。

小明阻塞IO吃飯：

五年前一天周末，小明和朋友一起去商場(chǎng)的外婆家吃飯，到店后發(fā)現(xiàn)排隊(duì)的人超多，所以他就領(lǐng)了一個(gè)號(hào)碼，然后他和朋友就坐在旁邊等候，一直等著服務(wù)員叫他們的號(hào)，也不能做其他事，過(guò)了一個(gè)多小時(shí)終于輪到他們了，然后他們進(jìn)店點(diǎn)菜，又得等待上菜，最后他們吃飯總共花了兩個(gè)小時(shí)；

關(guān)鍵部分：

等待座位吃飯：一直阻塞，直到有座位

等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設(shè)菜上齊了再吃）

沒(méi)什么說(shuō)的，反正就是一直等，反應(yīng)到程序中就是一直阻塞，而一個(gè)IO請(qǐng)求需要一個(gè)線程，可想而知當(dāng)有大量的IO請(qǐng)求，線程的創(chuàng)建和銷毀，線程間的切換，線程所占用的資源等等要耗費(fèi)多少時(shí)間和資源，系統(tǒng)的性能會(huì)有多差。

非阻塞IO和阻塞IO的最大區(qū)別就在于線程發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求,不會(huì)一直堵塞直到有數(shù)據(jù)，而是不斷的檢查是否已有數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)則讀取數(shù)據(jù)。

小明非阻塞IO吃飯：

有了第一次的教訓(xùn)，小明學(xué)乖了，他在拿到后不再傻傻的等著，而是去外婆家旁邊逛了逛，每過(guò)3分鐘他就會(huì)回來(lái)，然后跑到前臺(tái)去詢問(wèn)服務(wù)員輪到他了嗎？不幸的是，排隊(duì)的人超多，直到過(guò)了半個(gè)多小時(shí)后才輪到他進(jìn)店吃飯，期間他大概問(wèn)了十幾次，他們進(jìn)店點(diǎn)菜，又得等待上菜，最后他們吃飯總共花了兩個(gè)小時(shí)，基本也沒(méi)做啥其他事；

關(guān)鍵部分：

領(lǐng)號(hào)后詢問(wèn)是否輪到他：非阻塞，非詢問(wèn)期間可以做點(diǎn)別的事,但也不做了啥大事

等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設(shè)菜上齊了再吃）

總的來(lái)說(shuō)非阻塞IO的非阻塞主要體現(xiàn)在不需要一直等待到有數(shù)據(jù)，當(dāng)然讀數(shù)據(jù)那部分操作還是阻塞的，另外這種非阻塞模式需要用戶線程自己不斷詢問(wèn)檢查，其實(shí)效率也不是太高，實(shí)際編程中運(yùn)用的也不多。

既然上面我們說(shuō)到非阻塞IO的缺點(diǎn)，那么有沒(méi)有什么方式改進(jìn)呢？答案是當(dāng)然有，那就是多路復(fù)用IO，我理解的它的特點(diǎn)就是復(fù)用，首先它也是一種非阻塞IO的模型，只不過(guò)上面說(shuō)到輪詢的方式用了不同的方式處理了，當(dāng)一個(gè)線程發(fā)起IO請(qǐng)求，系統(tǒng)會(huì)將它注冊(cè)到一個(gè)多帶帶管理IO請(qǐng)求的一個(gè)線程，之后該IO的相關(guān)操作的通知狀態(tài)都有這個(gè)管理IO請(qǐng)求的線程處理，Java 1.4發(fā)布的NIO就是這種模式，我們可以大致來(lái)看一下它的流程：

// 打開(kāi)服務(wù)器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服務(wù)器配置為非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 進(jìn)行服務(wù)的綁定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8008));
// 這里的selector就相當(dāng)于多帶帶管理IO請(qǐng)求的線程
Selector selector = Selector.open();
// 注冊(cè)到selector，等待連接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();  //為IO請(qǐng)求去輪詢狀態(tài)
    Set keys = selector.selectedKeys(); //多個(gè)IO請(qǐng)求的狀態(tài)
    Iterator keyIterator = keys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) { //依次處理IO請(qǐng)求
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        doThing(key)
        ...
    }
}

可以看出Java NIO的模式就是多路復(fù)用IO模型的應(yīng)用。

小明多路復(fù)用IO吃飯：

隨著生意越來(lái)越好，外婆家發(fā)現(xiàn)好多顧客都堵在門口等待吃飯，等待區(qū)都站不下來(lái)人了，，思來(lái)想去，外婆家準(zhǔn)備請(qǐng)一個(gè)人專門來(lái)維護(hù)顧客的排隊(duì)請(qǐng)求，這樣顧客取號(hào)后，就不用堵在門口了，我們叫他小A，小明這次取號(hào)后，將自己的相關(guān)信息告訴小A，并從小A那里獲得了一個(gè)GPS（用于小A能快速找到小明，假設(shè)有了GPS后，小A能秒速找到小明），然后小明就跟朋友們開(kāi)心的去逛商場(chǎng)，看看MM，買買衣服，而小A則不斷的觀察店里的情況，當(dāng)有空座位出現(xiàn)的時(shí)候，他便會(huì)按照相關(guān)信息找到具體的顧客，將其帶回進(jìn)行用餐，但他們進(jìn)店點(diǎn)菜，還得等待上菜，最后他們吃飯總共花了兩個(gè)小時(shí)，但是他們不再需要排隊(duì)等位，而是去做一些其他的事。

關(guān)鍵部分：

領(lǐng)號(hào)后委托給小A，小A觀察到有空位后帶回小明：非阻塞，領(lǐng)號(hào)后可以安心去做自己的事，不用擔(dān)心錯(cuò)過(guò)

等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設(shè)菜上齊了再吃）

多路復(fù)用IO可以看成普通非阻塞IO的升級(jí)版，也是目前Java編程中用到比較多的IO模型，它的優(yōu)勢(shì)在于可以處理大量的IO請(qǐng)求，用一個(gè)線程管理所有的IO請(qǐng)求，無(wú)需像阻塞IO和非阻塞IO一樣，每個(gè)IO需要一個(gè)線程處理，提升了系統(tǒng)的吞吐量。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO相對(duì)于以上幾種模型最大的特點(diǎn)就是它支持內(nèi)核信號(hào)通知，線程在發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求后，會(huì)注冊(cè)一個(gè)信號(hào)函數(shù)，然后內(nèi)核在確認(rèn)數(shù)據(jù)可讀了，便會(huì)給相應(yīng)的線程發(fā)送通知，讓其進(jìn)行具體IO讀寫(xiě)操作。

小明信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO吃飯：

又了一段時(shí)間，外婆家通過(guò)使用復(fù)用IO模式緩解了排隊(duì)擁擠的情況，但是覺(jué)得還要請(qǐng)一個(gè)人專門維護(hù)隊(duì)列，感覺(jué)不劃算，那么有沒(méi)有一種更好的方式呢？經(jīng)過(guò)一天的苦思冥想，外婆家的經(jīng)理又想出一個(gè)好辦法，讓每個(gè)顧客在領(lǐng)完號(hào)后，關(guān)注一下外婆家的公眾號(hào)，然后顧客就可以去做別的事了，定時(shí)或者當(dāng)排隊(duì)信息發(fā)生改變時(shí)給顧客發(fā)送通知，告知他現(xiàn)在的排隊(duì)序號(hào)或者輪到他吃飯了，顧客可以根據(jù)相應(yīng)的信息做相應(yīng)的行為，比如快輪到了就開(kāi)始往店里走（實(shí)際程序中并不一定有這種狀態(tài)，這里只是大概模擬），或者輪到自己了然后進(jìn)店吃飯，他們?nèi)匀徊挥门抨?duì)等位，而是去做一些其他的事。

關(guān)鍵部分：

領(lǐng)號(hào)后關(guān)注公眾號(hào)，注冊(cè)關(guān)系：非阻塞，領(lǐng)號(hào)后可以安心去做自己的事，不用擔(dān)心錯(cuò)過(guò)

等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設(shè)菜上齊了再吃）

就實(shí)際來(lái)說(shuō)，信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO用的并不多，因?yàn)樾盘?hào)驅(qū)動(dòng)IO底層是使用SIGIO信號(hào)，所以它主要使用在UDP協(xié)議上，因?yàn)閁DP產(chǎn)生SIGIO信號(hào)的時(shí)候只有兩種可能：

1.要么數(shù)據(jù)到達(dá)

2.發(fā)生錯(cuò)誤

但相對(duì)TCP來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生SIGIO信號(hào)的地方太多了，比如請(qǐng)求連接，確認(rèn)，斷開(kāi)，錯(cuò)誤等等，所以我們很難根據(jù)SIGIO信號(hào)判斷到底發(fā)生了什么。

以上四種IO其實(shí)都還是同步IO，因?yàn)樗鼈冊(cè)谧x寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)都是阻塞的，異步IO相較于它們最大的特點(diǎn)是它讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候也是非阻塞的，用戶線程在發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求的時(shí)候，除了給內(nèi)核線程傳遞具體的IO請(qǐng)求外，還會(huì)給其傳遞數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，回調(diào)函數(shù)通知等內(nèi)容，然后用戶線程就繼續(xù)執(zhí)行，等到內(nèi)核線程發(fā)起相應(yīng)通知的時(shí)候，說(shuō)明數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，用戶線程直接使用即可，無(wú)需再阻塞從內(nèi)核拷貝數(shù)據(jù)到用戶線程。

小明異步IO吃飯：

有過(guò)了一段時(shí)間，小明又想吃外婆家了，但是這個(gè)周末他并不想出門，他突然在網(wǎng)上看到新聞?wù)f外婆家竟然可以叫外賣，小明高興壞了，他馬上打電話給外婆家，告訴它自己想要吃哪些菜（相當(dāng)于IO請(qǐng)求所需要的數(shù)據(jù)），然后將自己的聯(lián)系號(hào)碼（相當(dāng)于回調(diào)通知）和住址（相當(dāng)于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）也告訴它，然后就掛掉電話，開(kāi)心的做去打游戲了，過(guò)了半個(gè)小時(shí)后，手機(jī)響起，告知外賣已經(jīng)到了，小明開(kāi)門取外賣就可以直接開(kāi)吃了。整個(gè)過(guò)程小明直到吃飯都沒(méi)有等待阻塞。

關(guān)鍵部分：

叫外賣并提供相應(yīng)的信息：非阻塞，打完電話后做自己的事

通知外賣到了：直接開(kāi)門取外賣直接開(kāi)吃，非阻塞

我們可以看出，異步IO才是真正的異步，因?yàn)樗B數(shù)據(jù)拷貝這個(gè)過(guò)程都是非阻塞的，用戶線程根本不用關(guān)心數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)等操作，只需等待內(nèi)核線程通知后，直接處理數(shù)據(jù)即可，當(dāng)然異步IO需要系統(tǒng)內(nèi)核支持，比如Linux中的AIO和Windows中的IOCP，但是也可以通過(guò)多線程跟阻塞I/O模擬異步IO，比如可以在多路復(fù)用IO模型上進(jìn)行相應(yīng)的改變，另外也有現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)，比如異步I/O的庫(kù)：libeio

最后用一張圖總體概括一下Java IO（圖片來(lái)自美團(tuán)技術(shù)博客）：

Java IO概圖：

因?yàn)楹罄m(xù)會(huì)講到Java NIO，所以我們需要了解操作系統(tǒng)是如何支持多路復(fù)用IO的，Linux中支持支持三種多路IO復(fù)用機(jī)制，分別是select、poll和epoll，本來(lái)這里我想自己寫(xiě)的，但查閱了相應(yīng)的一些資料后，發(fā)現(xiàn)自己的水平還是不夠，這里我不準(zhǔn)備班門弄斧了，因?yàn)槲艺业搅撕芏鄬?xiě)的比較好的文章，這里就給大家列一下，僅供參考：

Linux系統(tǒng)編程——I/O多路復(fù)用select、poll、epoll的區(qū)別使用

聊聊IO多路復(fù)用之select、poll、epoll詳解

IO 多路復(fù)用是什么意思？

這篇文章主要講了最基礎(chǔ)的IO模型，不過(guò)我認(rèn)為最基礎(chǔ)的往往是最重要的，只有理解了基礎(chǔ)的原理，才能對(duì)基于它們實(shí)現(xiàn)的類庫(kù)或者工具有更加深刻的認(rèn)識(shí)，下一篇文章將會(huì)主要講一下基于多路復(fù)用IO的Java NIO，敬請(qǐng)期待。