Java中常见的 IO 方式

冯·诺依曼结构中计算机结构被分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。

所谓 IO 即输入输出，是操作系统为了保证操作系统的稳定性和安全性，将一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space）和 内核空间（Kernel space ）。我们运行的应用程序都是运行在用户空间，而只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间，而我们常见的 IO主要是磁盘 IO（读写文件）和网络 IO（网络请求和响应）。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），而具体的IO 操作则是系统的内核来执行。当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

内核等待 I/O 设备准备好数据
内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

1、IO 的分类

IO读写操作实际上 Read 系统调用是将数据从内核空间复制到用户空间；write系统调用是将数据从用户空间复制到内核空间；底层都是由内核来完成的。UNIX 系统下的 IO 模型一共有同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O 5 种，而信号驱动 I/O 使用中并不多见，这里不多做介绍了

java中的 IO 在 Java 1.4 中引入了 NIO 框架（java.nio 包），提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。在 Java 7 中时，NIO 有了进一步的改进，也就是 NIO 2，引入了异步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。异步 IO 操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

a、同步阻塞 I/O

当用户程序执行 read ，线程会被阻塞，一直等到内核数据准备好，并把数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read 才会返回。阻塞等待的是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程，在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

工作原理

进程发起 I/O 请求后，会一直等待，直到数据传输完成。
在数据传输期间，进程被挂起，无法执行其他任务。

应用进程向内核发起 read 读取数据
等待内核缓冲区数据（阻塞）
内核缓冲区数据准备好后，复制数据到用户缓冲区（阻塞）
复制完成，返回成功

java中的实现

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(portNumber);
Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 阻塞直到有连接
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) { // 阻塞直到数据可读
    // 处理数据
}

b、同步非阻塞 NI/O

非阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，可以继续往下执行，此时应用程序不断轮询内核，直到数据准备好，内核将数据拷贝到应用程序缓冲区，read 调用才可以获取到结果。

工作原理

进程发起 I/O 请求后，如果数据未准备好，请求会立即返回一个错误码。
进程需要不断轮询来检查数据是否准备好。

应用进程向内核发起 read 读取数据
数据没有准备好，直接返回 EWOULDBLOCK 错误（非阻塞）
应用进程不断发起 read 读取数据
内核缓冲区数据准备好后，将数据复制到用户缓冲区（阻塞）
复制完成，返回成功

java中的实现

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 80));
while (!socketChannel.finishConnect()) {
    // 非阻塞模式下，连接尚未完成，可以做其他事情
}
// 连接建立后，进行数据读写

c、I/O 多路复用

使用 select、poll、epoll 等系统调用，进程可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（读写操作不会阻塞），则能够通知进程进行相应的读写操作。JAVA 中的 NIO 是使用的 IO 多路复用，Linux环境下底层使用的是 epoll。该模型适用于连接数多，连接时间短的场景，select阻塞，等待所有socket中的任意一个变成可读

工作原理

使用单个线程来监控多个文件描述符的 I/O 状态。
当某个文件描述符就绪时，线程会被唤醒来执行 I/O 操作。

进程受阻于select调用，等待多个 socket 中的任意一个变为可读（阻塞）
当socket变成可读时（说明内核缓冲区数据已经准备好），用户进程发起read读取数据，将数据复制到用户缓冲区（阻塞）
复制完成，返回成功

java中的实现

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(portNumber));
serverSocket.configureBlocking(false);
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
    int readyChannels = selector.select();
    if (readyChannels == 0) continue;
    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        if (key.isAcceptable()) {
            // 处理接受连接
        } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读
        }
        keyIterator.remove();
    }
}

d、异步 I/O

进程发起异步 I/O 操作后，可以立即返回继续执行其他任务。当整个 I/O 操作（包括数据准备和传输）完成时，进程会收到一个信号或者其他形式的通知。

工作原理

进程发起异步 I/O 操作后，可以立即返回继续执行其他任务。
当整个 I/O 操作完成时，进程会收到通知。

java中的实现

AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
fileChannel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
    @Override
    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
        // 读取完成时的处理
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
        // 读取失败时的处理
    }
});
// 继续执行其他任务，不需要等待 I/O 完成

异步 I/O 模型虽然提供了非阻塞操作和高性能的潜力，但由于其编程复杂性、平台依赖性、调试难度以及对现有同步系统的重构成本，它并没有被广泛使用和推广。然而，在特定的高并发和 I/O 密集型应用场景中，异步 I/O 仍然是一个重要且有价值的工具