應用程序的IO操作，實際上不是物理設備級別的讀寫，而是緩存的復制。

1.1. Java?IO讀寫原理

??為了避免用戶進程直接操作內核，保證內核安全，操作系統將內存（虛擬內存）劃分 為兩部分，一部分是內核空間（Kernel-Space），一部分是用戶空間（User-Space）。 在 Linux 系統中，內核模塊運行在內核空間，對應的進程處于內核態；而用戶程序運行在用戶空間，對應的進程處于用戶態。

????????操作系統的核心是內核，獨立于普通的應用程序，可以訪問受保護的內核空間，也有 訪問底層硬件設備的權限。內核空間總是駐留在內存中，它是為操作系統的內核保留的。

????????應用程序是不允許直接在內核空間區域進行讀寫，也是不容許直接調用內核代碼定義的函 數的。每個應用程序進程都有一個單獨的用戶空間，對應的進程處于用戶態，用戶態進程 不能訪問內核空間中的數據，也不能直接調用內核函數的，因此要進行系統調用的時候， 就要將進程切換到內核態才能進行。 ????????內核態進程可以執行任意命令，調用系統的一切資源，而用戶態進程只能執行簡單的 運算，不能直接調用系統資源，現在問題來了：用戶態進程如何執行系統調用呢？答案 為：用戶態進程必須通過系統接口（System Call），才能向內核發出指令，完成調用系統 資源之類的操作。 ????????用戶程序進行IO的讀寫，依賴于底層的IO讀寫，基本上會用到底層的read&write兩大 系統調用。雖然在不同的操作系統中，read&write兩大系統調用的名稱和形式可能不完全 一樣，但是他們的基本功能是一樣的。 ????????操作系統層面的read系統調用，并不是直接從物理設備把數據讀取到應用的內存中； write系統調用，也不是直接把數據寫入到物理設備。上層應用無論是調用操作系統的 read，還是調用操作系統的write，都會涉及緩沖區。具體來說，上層應用通過操作系統的 read系統調用，是把數據從內核緩沖區復制到應用程序的進程緩沖區；上層應用通過操作 系統的write系統調用，是把數據從應用程序的進程緩沖區復制到操作系統內核緩沖區。 read&write兩大系統調用，都不負責數據在內核緩沖區和物理設備（如磁盤、網卡等）之間的交換。這項底層的讀寫交換操作，是由操作系統內核（Kernel）來完成的。所以，應用程序中的IO操作，無論是對Socket的IO操作，還是對文件的IO操作，都屬于上層應用的開發，它們的在輸入（Input）和輸出（Output）維度上的執行流程，都是類似的，都是在內核緩沖區和進程緩沖區之間的進行數據交換。

1.1.1. 內核緩沖與進程緩沖區

減少頻繁地與設備之間的物理交換。大家都知道，外部設備的直接讀寫，涉及操作系統的中斷。發生系統中斷時，需要保存之前的進程數據和狀態等信息，而結束中斷之后，還需要恢復之前的進程數據和狀態等信息。為了減少這種底層系統的時間損耗、性能損耗，于是出現了內存緩沖區。

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????????有了內核緩沖區，操作系統會對內核緩沖區進行監控，等待緩沖區達到一定數量的時 候，再進行IO設備的中斷處理，集中執行物理設備的實際IO操作，通過這種機制來提升系 統的性能。至于具體在什么時候執行系統中斷（包括讀中斷、寫中斷），則由操作系統的 內核來決定，應用程序不需要關心。 上層應用程序使用read系統調用時，僅僅把數據從內核緩沖區復制到上層應用的緩沖 區（進程緩沖區）；上層應用使用write系統調用時，僅僅把數據從應用的用戶緩沖區復制 到內核緩沖區中。 ????????內核緩沖區與應用緩沖區在數量上也不同，在Linux系統中，操作系統內核只有一個內 核緩沖區。而每個用戶程序（進程）則有自己獨立的緩沖區，叫做用戶緩沖區或者進程緩 沖區。Linux系統中的用戶程序的IO讀寫程序，在大多數情況下，并沒有進行實際的IO操 作，而是在用戶緩沖區和內核緩沖區之間直接進行數據的交換。

同步異步、阻塞非阻塞區別聯系

????????首先同步和異步，是針對應用程序（如Java）與內核的交互過程的方向而言的。 同步類型的IO操作，發起方是應用程序，接收方是內核。 同步IO由應用進程發起IO操作，并阻塞等待，或者輪詢的IO操作是否完成。 異步IO操作，應用程序在提前注冊完成回調函數之后去做自己的事情，IO交給內核來處理，在內核完成IO操作以后，啟動進程的回調函數。 ????????阻塞與非阻塞，關注的用戶進程在IO過程中的等待狀態。前者用戶進程需要為IO操作 去阻塞等待，而后者用戶進程可以不用為IO操作去阻塞等待。同步阻塞型IO、同步非阻塞 IO、多路IO復用，都是同步IO，也是阻塞性IO。 異步IO必定是非阻塞的，所以不存在異步阻塞和異步非阻塞的說法。真正的異步IO需 要內核的深度參與。異步IO中的用戶進程時候根本不去考慮IO的執行，IO操作主要交給內 核去完成，而自己只等待一個完成信號。

1.2. 四種主要的IO模型

服務器端編程經常需要構造高性能的IO模型，常見的IO模型有四種：

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）

首先，解釋一下這里的阻塞與非阻塞：

阻塞IO，指的是需要內核IO操作徹底完成后，才返回到用戶空間，執行用戶的操作。阻塞指的是用戶空間程序的執行狀態，用戶空間程序需等到IO操作徹底完成。傳統的IO模型都是同步阻塞IO。在java中，默認創建的socket都是阻塞的。

其次，解釋一下同步與異步：

同步IO，是一種用戶空間與內核空間的調用發起方式。同步IO是指用戶空間線程是主動發起IO請求的一方，內核空間是被動接受方。異步IO則反過來，是指內核kernel是主動發起IO請求的一方，用戶線程是被動接受方。

（4）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）

非阻塞IO，指的是用戶程序不需要等待內核IO操作完成后，內核立即返回給用戶一個狀態值，用戶空間無需等到內核的IO操作徹底完成，可以立即返回用戶空間，執行用戶的操作，處于非阻塞的狀態。

簡單的說：阻塞是指用戶空間（調用線程）一直在等待，而且別的事情什么都不做；非阻塞是指用戶空間（調用線程）拿到狀態就返回，IO操作可以干就干，不可以干，就去干的事情。

非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK。

強調一下，這里所說的NIO（同步非阻塞IO）模型，并非Java的NIO（New IO）庫。

（3）IO多路復用（IO Multiplexing）

即經典的Reactor設計模式，有時也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。

（5）異步IO（Asynchronous IO）

異步IO，指的是用戶空間與內核空間的調用方式反過來。用戶空間線程是變成被動接受的，內核空間是主動調用者。

這一點，有點類似于Java中比較典型的模式是回調模式，用戶空間線程向內核空間注冊各種IO事件的回調函數，由內核去主動調用。

1.3. 同步阻塞IO（Blocking IO）

在linux中的Java進程中，默認情況下所有的socket都是blocking IO。在阻塞式 I/O 模型中，應用程序在從IO系統調用開始，一直到到系統調用返回，這段時間是阻塞的。返回成功后，應用進程開始處理用戶空間的緩存數據。

舉個栗子，發起一個blocking socket的read讀操作系統調用，流程大概是這樣：

（1）當用戶線程調用了read系統調用，內核（kernel）就開始了IO的第一個階段：準備數據。很多時候，數據在一開始還沒有到達（比如，還沒有收到一個完整的Socket數據包），這個時候kernel就要等待足夠的數據到來。

（2）當kernel一直等到數據準備好了，它就會將數據從kernel內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后kernel返回結果。

（3）從開始IO讀的read系統調用開始，用戶線程就進入阻塞狀態。一直到kernel返回結果后，用戶線程才解除block的狀態，重新運行起來。

所以，blocking IO的特點就是在內核進行IO執行的兩個階段，用戶線程都被block了。

BIO的優點：

程序簡單，在阻塞等待數據期間，用戶線程掛起。用戶線程基本不會占用 CPU 資源。

BIO的缺點：

一般情況下，會為每個連接配套一條獨立的線程，或者說一條線程維護一個連接成功的IO流的讀寫。在并發量小的情況下，這個沒有什么問題。但是，當在高并發的場景下，需要大量的線程來維護大量的網絡連接，內存、線程切換開銷會非常巨大。因此，基本上，BIO模型在高并發場景下是不可用的。

1.4.?同步非阻塞NIO（None Blocking IO）

在linux系統下，可以通過設置socket使其變為non-blocking。NIO 模型中應用程序在一旦開始IO系統調用，會出現以下兩種情況：

（1）在內核緩沖區沒有數據的情況下，系統調用會立即返回，返回一個調用失敗的信息。

（2）在內核緩沖區有數據的情況下，是阻塞的，直到數據從內核緩沖復制到用戶進程緩沖。復制完成后，系統調用返回成功，應用進程開始處理用戶空間的緩存數據。

舉個栗子。發起一個non-blocking socket的read讀操作系統調用，流程是這個樣子：

（1）在內核數據沒有準備好的階段，用戶線程發起IO請求時，立即返回。用戶線程需要不斷地發起IO系統調用。

（2）內核數據到達后，用戶線程發起系統調用，用戶線程阻塞。內核開始復制數據。它就會將數據從kernel內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后kernel返回結果。

（3）用戶線程才解除block的狀態，重新運行起來。經過多次的嘗試，用戶線程終于真正讀取到數據，繼續執行。

NIO的特點：

應用程序的線程需要不斷的進行 I/O 系統調用，輪詢數據是否已經準備好，如果沒有準備好，繼續輪詢，直到完成系統調用為止。

NIO的優點：每次發起的 IO 系統調用，在內核的等待數據過程中可以立即返回。用戶線程不會阻塞，實時性較好。

NIO的缺點：需要不斷的重復發起IO系統調用，這種不斷的輪詢，將會不斷地詢問內核，這將占用大量的 CPU 時間，系統資源利用率較低。

總之，NIO模型在高并發場景下，也是不可用的。一般 Web 服務器不使用這種 IO 模型。一般很少直接使用這種模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。java的實際開發中，也不會涉及這種IO模型。

再次說明，Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一種模型，叫做IO多路復用模型（ IO multiplexing ）。

1.5. IO多路復用模型(I/O multiplexing）

如何避免同步非阻塞NIO模型中輪詢等待的問題呢？這就是IO多路復用模型。

IO多路復用模型，就是通過一種新的系統調用，一個進程可以監視多個文件描述符，一旦某個描述符就緒（一般是內核緩沖區可讀/可寫），內核kernel能夠通知程序進行相應的IO系統調用。

目前支持IO多路復用的系統調用，有 select，epoll等等。select系統調用，是目前幾乎在所有的操作系統上都有支持，具有良好跨平臺特性。epoll是在linux 2.6內核中提出的，是select系統調用的linux增強版本。

IO多路復用模型的基本原理就是select/epoll系統調用，單個線程不斷的輪詢select/epoll系統調用所負責的成百上千的socket連接，當某個或者某些socket網絡連接有數據到達了，就返回這些可以讀寫的連接。因此，好處也就顯而易見了——通過一次select/epoll系統調用，就查詢到到可以讀寫的一個甚至是成百上千的網絡連接。

舉個栗子。發起一個多路復用IO的的read讀操作系統調用，流程是這個樣子：

在這種模式中，首先不是進行read系統調動，而是進行select/epoll系統調用。當然，這里有一個前提，需要將目標網絡連接，提前注冊到select/epoll的可查詢socket列表中。然后，才可以開啟整個的IO多路復用模型的讀流程。

（1）進行select/epoll系統調用，查詢可以讀的連接。kernel會查詢所有select的可查詢socket列表，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回。

當用戶進程調用了select，那么整個線程會被block（阻塞掉）。

（2）用戶線程獲得了目標連接后，發起read系統調用，用戶線程阻塞。內核開始復制數據。它就會將數據從kernel內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存），然后kernel返回結果。

（3）用戶線程才解除block的狀態，用戶線程終于真正讀取到數據，繼續執行。

多路復用IO的特點：

IO多路復用模型，建立在操作系統kernel內核能夠提供的多路分離系統調用select/epoll基礎之上的。多路復用IO需要用到兩個系統調用（system call）， 一個select/epoll查詢調用，一個是IO的讀取調用。

和NIO模型相似，多路復用IO需要輪詢。負責select/epoll查詢調用的線程，需要不斷的進行select/epoll輪詢，查找出可以進行IO操作的連接。

另外，多路復用IO模型與前面的NIO模型，是有關系的。對于每一個可以查詢的socket，一般都設置成為non-blocking模型。只是這一點，對于用戶程序是透明的（不感知）。

多路復用IO的優點：

用select/epoll的優勢在于，它可以同時處理成千上萬個連接（connection）。與一條線程維護一個連接相比，I/O多路復用技術的最大優勢是：系統不必創建線程，也不必維護這些線程，從而大大減小了系統的開銷。

Java的NIO（new IO）技術，使用的就是IO多路復用模型。在linux系統上，使用的是epoll系統調用。

多路復用IO的缺點：

本質上，select/epoll系統調用，屬于同步IO，也是阻塞IO。都需要在讀寫事件就緒后，自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的。

如何充分的解除線程的阻塞呢？那就是異步IO模型。

如何進一步提升效率，解除最后一點阻塞呢？這就是異步IO模型，全稱asynchronous I/O，簡稱為AIO。

AIO的基本流程是：用戶線程通過系統調用，告知kernel內核啟動某個IO操作，用戶線程返回。kernel內核在整個IO操作（包括數據準備、數據復制）完成后，通知用戶程序，用戶執行后續的業務操作。

kernel的數據準備是將數據從網絡物理設備（網卡）讀取到內核緩沖區；kernel的數據復制是將數據從內核緩沖區拷貝到用戶程序空間的緩沖區。

1）當用戶線程調用了read系統調用，立刻就可以開始去做其它的事，用戶線程不阻塞。

（2）內核（kernel）就開始了IO的第一個階段：準備數據。當kernel一直等到數據準備好了，它就會將數據從kernel內核緩沖區，拷貝到用戶緩沖區（用戶內存）。

（3）kernel會給用戶線程發送一個信號（signal），或者回調用戶線程注冊的回調接口，告訴用戶線程read操作完成了。

（4）用戶線程讀取用戶緩沖區的數據，完成后續的業務操作。

異步IO模型的特點：

在內核kernel的等待數據和復制數據的兩個階段，用戶線程都不是block(阻塞)的。用戶線程需要接受kernel的IO操作完成的事件，或者說注冊IO操作完成的回調函數，到操作系統的內核。所以說，異步IO有的時候，也叫做信號驅動 IO 。

異步IO模型缺點：

需要完成事件的注冊與傳遞，這里邊需要底層操作系統提供大量的支持，去做大量的工作。

目前來說， Windows 系統下通過 IOCP 實現了真正的異步 I/O。但是，就目前的業界形式來說，Windows 系統，很少作為百萬級以上或者說高并發應用的服務器操作系統來使用。

而在 Linux 系統下，異步IO模型在2.6版本才引入，目前并不完善。所以，這也是在 Linux 下，實現高并發網絡編程時都是以 IO 復用模型模式為主。

小結一下：

四種IO模型，理論上越往后，阻塞越少，效率也是最優。在這四種 I/O 模型中，前三種屬于同步 I/O，因為其中真正的 I/O 操作將阻塞線程。只有最后一種，才是真正的異步 I/O 模型，可惜目前Linux 操作系統尚欠完善。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机IO系列零】应用软件部分的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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