详解Java中的五种IO模型

文章目录

前言
- 1、内核空间和用户空间
- 2、用户态和内核态
- 3、上下文切换
- 4、虚拟内存
- 5、DMA技术
- 6、传统 IO 的执行流程
一、阻塞IO模型
二、非阻塞IO模型
三、IO多路复用模型
- 1、IO多路复用之select
- 2、IO多路复用之epoll
- 3、总结select、poll、epoll的区别
四、IO模型之信号驱动模型
五、IO 模型之异步IO(AIO)
总结

前言

在学习IO模型前，需要先了解些基础概念，才能理解IO的执行流程及阻塞的原因

1、内核空间和用户空间

我们电脑上跑着的应用程序，其实是需要经过操作系统，才能做一些特殊操作，如磁盘文件读写、内存的读写等等。因为这些都是比较危险的操作，不可以由应用程序乱来，只能交给底层操作系统来。

因此，操作系统为每个进程都分配了内存空间，一部分是用户空间，一部分是内核空间。内核空间是操作系统内核访问的区域，是受保护的内存空间，而用户空间是用户应用程序访问的内存区域。

内核空间：主要提供进程调度、内存分配、连接硬件资源等功能
用户空间：提供给各个程序进程的空间，它不具有访问内核空间资源的权限
- 如果应用程序需要使用到内核空间的资源，则需要通过系统调用来完成
- 进程从用户空间切换到内核空间，完成相关操作后，再从内核空间切换回用户空间

我们应用程序是跑在用户空间的，它不存在实质的IO过程，真正的IO是在操作系统执行的。即应用程序的IO操作分为两种动作：IO调用和IO执行。IO调用是由进程(应用程序的运行态)发起，而IO执行是操作系统内核的工作。此时所说的IO是应用程序对操作系统IO功能的一次触发，即IO调用。

2、用户态和内核态

如果进程运行于内核空间，被称为进程的内核态
如果进程运行于用户空间，被称为进程的用户态

3、上下文切换

CPU寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是CPU在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此叫做CPU上下文。

CPU上下文切换就是先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

一般我们说的上下文切换，就是指内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。系统调用的过程，会发生CPU上下文的切换。

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4、虚拟内存

现代操作系统使用虚拟内存，即虚拟地址取代物理地址，使用虚拟内存可以有2个好处：
- 虚拟内存空间可以远远大于物理内存空间
- 多个虚拟内存可以指向同一个物理地址

正是多个虚拟内存可以指向同一个物理地址，可以把内核空间和用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样的话，就可以减少IO的数据拷贝次数啦。

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5、DMA技术

DMA，英文全称是Direct Memory Access，即直接内存访问。DMA本质上是一块主板上独立的芯片，允许外设设备和内存存储器之间直接进行IO数据传输，其过程不需要CPU的参与。

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用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，进入阻塞状态，等待数据返回
CPU收到指令后，对DMA控制器发起指令调度
DMA收到IO请求后，将请求发送给磁盘
磁盘将数据放入磁盘控制缓冲区，并通知DMA
DMA将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到内核缓冲区
DMA向CPU发出数据读完的信号，把工作交换给CPU，由CPU负责将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
用户应用进程由内核态切换回用户态，解除阻塞状态

DMA的主要作用就是将数据从磁盘拷贝到内核缓冲区，这期间可以解放CUP去做其他事。

6、传统 IO 的执行流程

传统的IO流程，包括read和write的过程
- read：把数据从磁盘读取到内核缓冲区，再拷贝到用户缓冲区
- write：先把数据写入到socket缓冲区，最后写入网卡设备

流程图如下：
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读数据

用户应用进程调用read函数，向操作系统发起IO调用，上下文从用户态转为內核态（切换1）
DMA控制器把数据从磁盘中，读取到内核缓冲区
CPU把内核缓冲区数据，拷贝到用户应用缓冲区，上下文从内核态转为用户态（切换2），read函数返回

写数据

用户应用进程通过write函数，发起IO调用，上下文从用户态转为内校态（切换3）
CPU将应用缓冲区中的数据，拷贝到socket缓冲区
DMA控制器把数据从socket缓冲区，拷贝到网卡设备，上下文从内校态切换回用户态（切换4)，write函数返回

从流程图可以看出，传统IO的读写流程，包括了4次上下文切换（4次用户态和内核态的切换），4次数据拷贝（两次CPU拷贝以及两次的DMA拷贝）。

一、阻塞IO模型

应用程序的进程发起IO调用，但是如果内核的数据还没准备好的话，那应用程序进程就一直在阻塞等待，一直等到内核数据准备好了，从内核拷贝到用户空间，才返回成功提示，此次IO操作，称之为阻塞IO。

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阻塞IO比较经典的应用就是阻塞socket、Java BIO
阻塞IO的缺点就是：如果内核数据一直没准备好，那用户进程将一直阻塞，浪费性能，可以使用非阻塞IO优化

二、非阻塞IO模型

如果内核数据还没准备好，系统调用会立即返回一个调用失败的信息，让它不需要等待，而是通过轮询的方式再来请求。如果内核数据准备好，在数据从内核拷贝到用户空间期间是阻塞的（因为现在是CUP在操作，之前准备数据是DMA）。

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同步非阻塞 IO 的优点是每次发起的IO系统调用在内核等待数据过程中可以立即返回，用户线程不会阻塞，实时性较好
同步非阻塞IO的缺点是不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下

三、IO多路复用模型

在这之前，我们先来复习下，什么是文件描述符fd(File Descriptor)，它是计算机科学中的一个术语，形式上是一个非负整数。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。

IO复用模型核心思路：系统给我们提供一类函数(如我们耳濡目染的select、poll、epoll函数)，它们可以同时监控多个fd的操作，任何一个返回内核数据就绪，应用进程再发起recvfrom系统调用。

1、IO多路复用之select

应用进程通过调用select函数，可以同时监控多个fd，在select函数监控的fd中，只要有任何一个数据状态准备就绪了，select函数就会返回可读状态，这时应用进程再发起recvfrom请求去读取数据。

非阻塞IO模型(NIO)中，需要N(N>=1)次轮询系统调用，然而借助select的IO多路复用模型，只需要发起一次询问就够了,大大优化了性能。

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select缺点

监听的IO最大连接数有限，在Linux系统上一般为1024
select函数返回后，是通过遍历fdset，找到就绪的描述符fd。(仅知道有I/O事件发生，却不知是哪几个流，所以遍历所有流)

因为存在连接数限制，所以后来又提出了poll。与select相比，poll解决了连接数限制问题。但是呢，select和poll一样，还是需要通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。如果同时连接的大量客户端，在一时刻可能只有极少处于就绪状态，伴随着监视的描述符数量的增长，效率也会线性下降。因此经典的多路复用模型epoll诞生。

2、IO多路复用之epoll

为了解决select/poll存在的问题，多路复用模型epoll诞生，它采用事件驱动来实现。

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epoll先通过epoll_ctl()来注册一个fd(文件描述符)，一旦基于某个fd就绪时，内核会采用回调机制，迅速激活这个fd，当进程调用epoll_wait()时便得到通知。这里去掉遍历文件描述符的操作，而是采用监听事件回调的机制。这就是epoll的亮点。

3、总结select、poll、epoll的区别

	select	poll	epoll
底层数据结构	数组	链表	红黑树和双链表
获取就绪的fd	遍历	遍历	事件回调
事件复杂度	O(n)	O(n)	O(1)
最大连接数	1024	无限制	无限制
fd数据拷贝	每次调用select，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	每次调用poll，需要将fd数据从用户空间拷贝到内核空间	使用内存映射(mmap)，不需要从用户空间频繁拷贝fd数据到内核空间

epoll明显优化了IO的执行效率，但在进程调用epoll_wait()时，仍然可能被阻塞。能不能酱紫：不用我老是去问你数据是否准备就绪，等我发出请求后，你数据准备好了通知我就行了，这就诞生了信号驱动IO模型。

四、IO模型之信号驱动模型

信号驱动IO不再用主动询问的方式去确认数据是否就绪，而是向内核发送一个信号(调用sigaction的时候建立一个SIGIO的信号)，然后应用用户进程可以去做别的事，不用阻塞。当内核数据准备好后，再通过SIGIO信号通知应用进程，数据准备好后的可读状态。应用用户进程收到信号之后，立即调用recvfrom，去读取数据。

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信号驱动IO模型，在应用进程发出信号后，是立即返回的，不会阻塞进程。它已经有异步操作的感觉了。但是你细看上面的流程图，发现数据复制到应用缓冲的时候，应用进程还是阻塞的。回过头来看下，不管是BIO，还是NIO，还是信号驱动，在数据从内核复制到应用缓冲的时候，都是阻塞的。还有没有优化方案呢?AIO（真正的异步IO）！