1. 五种IO模型
1.1 同步阻塞IO
最简单的一种IO模型，用户线程在进行IO操作的时候通常是个系统调用，用户线程会由用户空间进入内核空间，内核空间数据包准备好后会将数据拷贝到用户空间，这个时候线程在用户态继续执行。
老李去火车站买票，排队三天买到一张退票。
耗费：在车站吃喝拉撒睡 3天，其他事一件没干。
1.2 同步非阻塞IO
同步非阻塞IO即在同步阻塞的基础之上将socket设置为NONBLOCK。这样用户线程在发起IO操作之后可以立即返回，但是用户线程需要不断轮询来请求数据。
老李去火车站买票，隔12小时去火车站问有没有票，三天后买到一张票。
耗费：往返车站6次，路上6小时，其他时间做了好多事。
1.3 多路复用IO
Reactor设计模式，多路复用模型从流程上和同步阻塞的区别不大，主要区别在于操作系统为用户提供了同时轮询多个IO句柄来查看是否有IO事件的接口（如select），这从根本上允许用户可以使用单个线程来管理多个IO句柄。
select/poll版本： 老李去火车站买票，委托黄牛，然后每隔6小时电话黄牛询问，黄牛三天内买到票，然后老李去火车站交钱领票。
耗费：往返车站2次，路上2小时，黄牛手续费100元，打电话17次
epoll版本：老李去火车站买票，委托黄牛，黄牛买到后即通知老李去领，然后老李去火车站交钱领票。
耗费：往返车站2次，路上2小时，黄牛手续费100元，无需打电话
1.4 信号驱动IO
老李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知老李，然后老李去火车站交钱领票。
耗费：往返车站2次，路上2小时，免黄牛费100元，无需打电话
1.5 异步IO
Proactor设计模式。在异步IO模型中，用户不需要去轮询IO事件，然后才进行数据的读取，处理；在异步IO模型中，IO事件就绪的时候，内核会开启一个独立的内核线程去执行执行IO操作，实现真正的异步IO。这个时候用户线程可以直接读取内核线程准备好的数据。
老李去火车站买票，给售票员留下电话，有票后，售票员电话通知老李并快递送票上门。
耗费：往返车站1次，路上1小时，免黄牛费100元，无需打电话
Java NIO是如何工作的
NIO（Non-blocking I/O，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。
那么NIO的本质是什么样的呢？它是怎样与事件模型结合来解放线程、提高系统吞吐的呢？
所有的系统I/O都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。
传统的BIO使用的几个函数都是阻塞的，socket.accept()、socket.read()、socket.write()。
需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的，是在“空等”；而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的，真正在"干活"，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。
传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。
对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。
最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。
换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心"我可以读了"，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。
NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的（消耗CPU但性能非常高）。
NIO的事件模型
如何利用事件模型单线程处理所有I/O请求？
NIO有原来的阻塞读写（占用线程）变成了单线程轮询事件，找到可以进行读写的网络描述符。除了事件轮询是阻塞的，剩余的IO都是纯cpu操作，没必要开启线程。
标准/典型的Reactor：
步骤1：等待事件到来（Reactor负责）。
步骤2：将读就绪事件分发给用户定义的处理器（Reactor负责）。
步骤3：读数据（用户处理器负责）。
步骤4：处理数据（用户处理器负责）。
NIO主要事件有读就绪、写就绪、有新连接到来。
用一个死循环选择就绪的事件，会执行系统调用（Linux 2.6之前是select、poll，2.6之后是epoll，Windows是IOCP），还会阻塞的等待新事件的到来。新事件到来的时候，会在selector上注册标记位，标示可读、可写或者有连接到来。
NIO核心组件：事件选择器
它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。实现单线程管理多个Channel，也就是可以管理多个网络连接。
Selector核心在于基于操作系统提供的I/O复用功能，单个线程可以同时监视多个连接描述符，一旦某个连接就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作，常见有select、poll、epoll等不同实现。
NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。用专业术语来说，选择器就是一个多路开关选择器，因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。然而如果用传统的方式来处理这么多客户端，使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作，如果当前客户端有I/O操作，则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理，如果没有I/O操作则进行下一个轮询，当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询；这种方法是非常笨而且也非常浪费资源，因为大部分客户端是没有I/O操作，我们也要去检查；
Java NIO Selector基本工作流程如下：
(1) 初始化Selector对象，服务端ServerSocketChannel对象
(2) 向Selector注册ServerSocketChannel的socket-accept事件
(3) 线程阻塞于selector.select()，当有客户端请求服务端，线程退出阻塞
(4) 基于selector获取所有就绪事件，此时先获取到socket-accept事件，向Selector注册客户端SocketChannel的数据就绪可读事件事件
(5) 线程再次阻塞于selector.select()，当有客户端连接数据就绪，可读
(6) 基于ByteBuffer读取客户端请求数据，然后写入响应数据，关闭channel。
NIO核心组件：缓冲区
Buffer提供了常用于I/O操作的字节缓冲区，常见的缓存区有ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short
NIO核心组件：通道
Channel(通道)的概念可以类比I/O流对象，NIO中I/O操作主要基于Channel：
从Channel进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求Channel读取数据
从Channel进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，请求Channel写入数据。
Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO核心组件：事件处理器
用于处理相应的事件，如读事件、写事件
NIO的问题
使用NIO != 高性能，当连接数<1000，并发程度不高或者局域网环境下NIO并没有显著的性能优势。
NIO并没有完全屏蔽平台差异，它仍然是基于各个操作系统的I/O系统实现的，差异仍然存在。使用NIO做网络编程构建事件驱动模型并不容易，陷阱重重。
推荐大家使用成熟的NIO框架，如Netty，MINA等。解决了很多NIO的陷阱，并屏蔽了操作系统的差异，有较好的性能和编程模型。
总结
- 所有的系统IO都分为两个操作，等待就绪和操作
- BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心"我可以读了"，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”
- NIO的事件模型，主要事件有读就绪、写就绪、有新连接到来。
- IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。
网友评论