前言

本文只是说明了IO模型，让你了解IO模型是什么，怎么区分IO模型，以及分析了Java中的三种IO模型，没有讲述Java的IO操作，本文是纯理论知识，看完之后会让你对IO有更加深刻的理解，面试的时候就不会害怕了。

一、什么是IO

IO（Input/Output），也就是输入和输出的简称，从计算机结构的角度来看，IO，就是输入数据到计算机中，计算机输出数据到计算机外，下面有一张十分经典的冯·诺伊曼结构图，将计算机分为五大部分：运算器、控制器、存储器、输入设置、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。

所以，从计算机结构的角度来看IO，IO就是描述了计算机系统和外部设备之间通信的过程。

接下来我们再从应用程序的角度去了解一下IO：在操作系统中，为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间被划分为了用户空间（User space）和内核空间（Kernel space） 。

那么什么是用户空间，什么是内核空间呢？

• 用户空间是普通应用程序可访问的内存区域。
• 内核空间是操作系统内核访问的区域，独立于普通的应用程序，是受保护的内存空间。

可以简单的理解为我们平常运行的应用程序，都是运行在用户空间中的，它没有权限去进行一些系统态级别的资源相关操作，比如文件管理、内存管理、等等，这些操作都是要依赖内核空间才能完成，也就是说，我们如果想要进行IO操作，一定是要依赖内核空间的能力，并且这里需要注意一点：用户空间的程序不能直接访问内核空间。

那么如果要发起一次IO操作，那应该怎么办呢？

当我们需要执行一次IO操作的时候，由于没有执行IO操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统来帮忙完成，所以用户进程想要执行IO操作的话，必须通过系统调用来间接的访问内核空间，比如我们最常见的IO操作就是磁盘IO（读写文件）和网络IO（网络请求和响应）。

那么从应用程序的视角去看IO的话，我们的应用程序发起对操作系统的内核发起IO调用（系统调用，注意只是调用），操作系统去负责内核执行具体的IO操作。（如果这段话不是很好理解，可以理解为调包，比如别人写好了的工具类，我们不需要关注里面的实现细节，只需要调用它的方法就好了，这里我们的应用程序就是发起了一个调用，但是真正执行的还是我们的操作系统）

当应用程序发起IO调用之后，会经历下面两个步骤：（这里一定要记住这两点，它和后面息息相关！）

• 内核等待IO设备准备好数据
• 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

二、常见的IO模型

IO模型有很多种（比如在UNIX系统下，IO模型一共分为5种：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO、异步IO），本篇文章只讲述Java中的IO模型，Java中的IO被分为三类：BIO、NIO、AIO。

BIO（Blocking IO）

BIO属于同步阻塞IO模型，应用程序发起read调用之后，会一直阻塞，直到内核把数据从内核空间拷贝至用户空间。

BIO就是Java中最传统的IO模型，相关的类和接口都在java.io这个包下面，因为现在用的人很少（后面看它的特点就知道为什么了），所以我们这里简单介绍一下它的一些特点就好了。

对高并发场景下对于线程资源的消耗较高，每一个连接需要使用一条线程单独处理。
传输较小对象时存在频繁的线程上下文切换等性能问题。

如何优化

那么怎么去优化这个BIO呢？

首先上面说了BIO的缺点之一就是它是有多少连接就需要多少线程的模型，但是对于用户来说，打开一个连接，然后关闭一个连接是十分常见且频繁的事情，而与之对应的就是创建线程和销毁线程，但是创建线程和销毁线程对于操作系统来说是十分消耗资源的，所以想到的优化就是使用线程池去进行优化BIO。

NIO的面世

但是BIO的模型决定了它的上限，它始终是同步阻塞的IO模型，阻塞就会导致不能使用单线程处理多个请求，所以这个时候就需要修改它的模型，将调用read()、write()方法不再是阻塞的，这样就可以使用单线程处理多个请求，而这样就不再是同步阻塞的IO模型了，也就是我们下面要说到的NIO了。

三、NIO（Non-blocking/New IO）

Java的NIO是Java1.4引入的，对应的是java.nio包，提供了channel、selector、buffer等抽象。
Java中的NIO可以看作是IO多路复用模型，但是也有人认为它是同步非阻塞IO模型，这里我们先简单介绍一下这两种模型：

同步非阻塞IO模型

这个相比同步阻塞IO模型，同步非阻塞IO模型就是通过轮询的方式，避免了一直阻塞。

但是从图中也能看出问题所在，就是应用程序不断的进行IO系统调用轮询数据是否已经准备就绪的这段时间，是十分消耗CPU资源的（说白话就是反复调用read操作） 。
所以这个时候就引入了IO多路复用模型。

IO多路复用模型

在IO多路复用模型中，线程首先发起select调用，询问内核数据是否准备就绪，等待内核把数据准备好了，会返回一个ready调用，告诉你，我准备好了，这个时候用户线程再发起read调用。注意：read调用的过程依然是阻塞的（数据从内核空间拷贝至用户空间这段时间） 。

IO多路复用模型通过无效的系统调用，减少了对CPU资源的消耗。

Java中的NIO

Java中的NIO，有一个十分重要的概念，就是选择器（selector），也被称为多路复用器，通过它就可以实现使用一个线程管理多个客户端连接（这里是不是和BIO就不一样了，最大的优化的点就在这里） 。当客户端数据到了之后，线程再为客户端进行服务。
下面给出一张JavaNIO的图：

这张图就能很好的说明了NIO的特点了。

四、AIO（Asynchronous IO）

AIO，也被称为NIO 2.0，Java7中引入的异步IO模型，很多人都不理解非阻塞IO和异步IO到底有什么差别，其实异步IO就是基于事件和回调机制去实现的，也就是说用户调用操作之后会立马返回，不会阻塞，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续操作。

目前来说AIO的应用还没有十分广泛，应用最多的是NIO。

总结

最后放一张图来总结Java中的IO模型：