很多時(shí)候?qū)τ诓煌腎O模型的概念和原理我們可能不是很清楚，有時(shí)候可能也會(huì)在不同的IO間迷糊，筆者也是有同樣的問題。所以經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)以后將我們常見的五種IO模型在這里做一下總結(jié)，以供大家參考和學(xué)習(xí)。

1.基本概念

五種IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO、異步IO。為了對(duì)后面的內(nèi)容的一些西域不混淆，首先給大家介紹一下系統(tǒng)調(diào)用常用的幾個(gè)函數(shù)和基本概念。

1.1 系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

以下幾個(gè)系統(tǒng)函數(shù)參考了一些書籍和文章，如果有不正確的地方還請(qǐng)大家指出。

函數(shù)名稱函數(shù)作用

recvfrom	提供給用戶用于接收網(wǎng)絡(luò)IO的系統(tǒng)接口，從套接字上接收一個(gè)消息，可同時(shí)應(yīng)用于面向連接和無連接的套接字如果此系統(tǒng)調(diào)用返回值<0，并且 errno為EWOULDBLOCK或EAGAIN（套接字已標(biāo)記為非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超時(shí) ）時(shí)，連接正常，阻塞接收數(shù)據(jù)（這很關(guān)鍵，前4種IO模型都設(shè)計(jì)此系統(tǒng)調(diào)用）
select	允許程序同時(shí)在多個(gè)底層文件描述符上，等待輸入的到達(dá)或輸出的完成。以數(shù)組形式存儲(chǔ)文件描述符，64位機(jī)器默認(rèn)2048個(gè)。當(dāng)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，無法感知具體是哪個(gè)流OK了，所以需要一個(gè)一個(gè)的遍歷，函數(shù)的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)
poll	以鏈表形式存儲(chǔ)文件描述符，沒有長(zhǎng)度限制。本質(zhì)與select相同，函數(shù)的時(shí)間復(fù)雜度也為O(n)
epoll	基于事件驅(qū)動(dòng)。如果某個(gè)流準(zhǔn)備好了，會(huì)以事件通知，知道具體是哪個(gè)流，因此不需要遍歷，函數(shù)的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)
sigaction	用于設(shè)置對(duì)信號(hào)的處理方式，也可檢驗(yàn)對(duì)某信號(hào)的預(yù)設(shè)處理方式。Linux使用SIGIO信號(hào)來實(shí)現(xiàn)IO異步通知機(jī)制

1.2同步與異步

同步和異步是針對(duì)應(yīng)用程序和內(nèi)核交互而言的。

概念

同步	用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或輪詢的去查看是否就緒
異步	用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作以后便開始做自己的事情，當(dāng)IO操作已經(jīng)完成的時(shí)候會(huì)得到IO完成的通知，需要CPU支持

1.3阻塞與非阻塞

阻塞和非阻塞是針對(duì)于進(jìn)程在訪問數(shù)據(jù)的時(shí)候。根據(jù)IO操作的就緒狀態(tài)來采取的不同的方式。

概念

阻塞	阻塞方式下讀取或?qū)懭敕椒▽⒁恢钡却?/td>
非阻塞	非阻塞方式下讀取或?qū)懭敕椒〞?huì)立即返回一個(gè)狀態(tài)值

2.IO模型介紹

2.1 阻塞IO模型

學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)的伙伴應(yīng)該知道，不管是網(wǎng)絡(luò)IO還是磁盤IO，對(duì)于讀操作而言，都是等到網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)數(shù)據(jù)分組到達(dá)后/數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中，再?gòu)膬?nèi)核空間拷貝到用戶空間的緩沖區(qū)。執(zhí)行流程圖大致如圖：

通過流程圖可以看到，阻塞IO的執(zhí)行過程是進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并復(fù)制到用戶態(tài)緩沖區(qū)后，進(jìn)程放棄使用CPU并一直阻塞在此，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

2.2 非阻塞IO模型

每次應(yīng)用程序詢問內(nèi)核是否有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。如果就緒，就進(jìn)行拷貝操作；如果未就緒，就不阻塞程序，內(nèi)核直接返回未就緒的返回值，等待用戶程序下一個(gè)輪詢。在每一次詢問之前，對(duì)于程序來說是非阻塞的，占用CPU資源，可以做其他事情。執(zhí)行流程圖大致如圖：

主要有兩個(gè)階段：

• 等待數(shù)據(jù)階段：未阻塞， 用戶進(jìn)程需要盲等，不停的去輪詢內(nèi)核；
• 數(shù)據(jù)復(fù)制階段：阻塞，此時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。

在這兩個(gè)階段中，用戶進(jìn)程只有在數(shù)據(jù)復(fù)制階段被阻塞了，而等待數(shù)據(jù)階段沒有阻塞，但是用戶進(jìn)程需要盲等，不停地輪詢內(nèi)核，看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。

2.3 IO多路復(fù)用模型

相比于阻塞IO模型，多路復(fù)用只是多了一個(gè)select/poll/epoll函數(shù)。select函數(shù)會(huì)不斷地輪詢自己所負(fù)責(zé)的文件描述符/套接字的到達(dá)狀態(tài)，當(dāng)某個(gè)套接字就緒時(shí)，就對(duì)這個(gè)套接字進(jìn)行處理。select負(fù)責(zé)輪詢等待，recvfrom負(fù)責(zé)拷貝。當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用該select，select會(huì)監(jiān)聽所有注冊(cè)好的IO，如果所有IO都沒注冊(cè)好，調(diào)用進(jìn)程就阻塞。多路復(fù)用一般都是用于網(wǎng)絡(luò)IO，服務(wù)端與多個(gè)客戶端的建立連接。執(zhí)行流程圖大致如圖：

對(duì)于客戶端來說，一般感受不到阻塞，因?yàn)檎?qǐng)求來了，可以用放到線程池里執(zhí)行；但對(duì)于執(zhí)行select的操作系統(tǒng)而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某個(gè)套接字變?yōu)榭勺x。IO多路復(fù)用其實(shí)是阻塞在select，poll，epoll這類系統(tǒng)調(diào)用上的，復(fù)用的是執(zhí)行select，poll，epoll的線程。

2.4 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型

當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備好的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)向應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)信號(hào)，進(jìn)程對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕捉，并且調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)來獲取數(shù)據(jù)報(bào)。執(zhí)行流程圖大致如圖：

該模型也分為兩個(gè)階段：

• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：未阻塞，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，會(huì)主動(dòng)的通知用戶進(jìn)程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，對(duì)用戶進(jìn)程做一個(gè)回調(diào)；
• 數(shù)據(jù)拷貝階段：阻塞用戶進(jìn)程，等待數(shù)據(jù)拷貝。

2.5 異步IO模型

用戶進(jìn)程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，立刻就可以開始去做其他的事情，然后直到I/O數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并復(fù)制完成后，內(nèi)核會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送通知，告訴用戶進(jìn)程操作已經(jīng)完成了。

異步I/O執(zhí)行的兩個(gè)階段都不會(huì)阻塞讀寫操作，由內(nèi)核完成，完成后內(nèi)核將數(shù)據(jù)放到指定的緩沖區(qū)，通知應(yīng)用程序來取。

3.BIO，NIO，AIO介紹

操作系統(tǒng)的IO模型是底層基石，Java對(duì)于IO的操作其實(shí)就是進(jìn)一步的封裝。

3.1 BIO

BIO–同步阻塞，JDK1.4之前常用的編程方式，適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，對(duì)服務(wù)器資源要求高，并發(fā)局限于應(yīng)用中。在使用的時(shí)候，首先在服務(wù)端啟動(dòng)一個(gè)ServerSocket來監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，客戶端啟動(dòng)Socket發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，默認(rèn)情況下ServerSocket會(huì)建立一個(gè)線程來處理此請(qǐng)求，如果服務(wù)端沒有線程可用，客戶端則會(huì)阻塞等待或遭到拒絕，并發(fā)效率比較低。
我們使用java來模擬IO模型的連接，首先編寫服務(wù)端的代碼：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/02 13:35*/ public class Server {public static void main(String[] args) {int port=genPort(args);ServerSocket server=null;ExecutorService service= Executors.newFixedThreadPool(50);try {server=new ServerSocket(port);System.out.println("server started!");while (true){Socket socket=server.accept();service.execute(new Handler(socket));}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}finally {if(server!=null){try {server.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}server=null;}}private static int genPort(String[] args) {if(args.length>0){return Integer.parseInt(args[0]);}else{return 9999;}}static class Handler implements Runnable{Socket socket=null;public Handler(Socket socket){this.socket=socket;}@Overridepublic void run() {BufferedReader reader=null;PrintWriter writer=null;try {reader=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(),"UTF-8"));writer=new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(),"UTF-8"));String readMassage=null;while (true){System.out.println("server reading...");if((readMassage=reader.readLine())==null){break;}System.out.println(readMassage);writer.println("server recive:"+readMassage);writer.flush();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}finally {if(socket!=null){try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}socket=null;if(reader!=null){try {reader.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}reader=null;if(writer!=null){writer.close();}writer=null;}}} }

編寫一個(gè)客戶端：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/02 13:35*/ public class Client {public static void main(String[] args) {String host=null;int port=0;if(args.length>2){host=args[0];port=Integer.parseInt(args[1]);}else{host="127.0.0.1";port=9999;}Socket socket=null;BufferedReader reader = null;PrintWriter writer = null;Scanner s = new Scanner(System.in);try{socket = new Socket(host, port);String message = null;reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8"));writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);while(true){message = s.nextLine();if(message.equals("exit")){break;}writer.println(message);writer.flush();System.out.println(reader.readLine());}}catch(Exception e){e.printStackTrace();}finally{if(socket != null){try {socket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}socket = null;if(reader != null){try {reader.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}reader = null;if(writer != null){writer.close();}writer = null;}} }

然后啟動(dòng)，先啟動(dòng)服務(wù)端，再啟動(dòng)客戶端，然后輸入數(shù)據(jù)


會(huì)發(fā)現(xiàn)服務(wù)端一直會(huì)阻塞在接收數(shù)據(jù)那里。

3.2 NIO

NIO–同步非阻塞，是基于事件驅(qū)動(dòng)思想來完成的，適用于連接數(shù)目多且連接比較短（輕操作）的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器，并發(fā)局限于應(yīng)用中，編程復(fù)雜，JDK1.4 開始支持。當(dāng) socket 有流可讀或可寫入時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地通知應(yīng)用程序進(jìn)行處理，應(yīng)用再將流讀取到緩沖區(qū)或?qū)懭氩僮飨到y(tǒng)。一個(gè)有效的請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，當(dāng)連接沒有數(shù)據(jù)時(shí)，是沒有工作線程來處理的。
服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)通道，即客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求都會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有 I/O 請(qǐng)求時(shí)才啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理。NIO中有幾個(gè)比較重要的角色：緩沖區(qū)Buffer，通道Channel，多路復(fù)用器Selector。
（1）Buffer
在NIO庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)（用戶空間緩沖區(qū)）處理的。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它是直接讀到緩沖區(qū)中的；在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，也是寫入到緩沖區(qū)中。任何時(shí)候訪問NIO中的數(shù)據(jù)，都是通過緩沖區(qū)進(jìn)行操作。
緩沖區(qū)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組，并提供了對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化訪問以及維護(hù)讀寫位置等信息。
（2）Channel
nio中對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和寫入要通過Channel，它就像水管一樣，是一個(gè)通道。通道不同于流的地方就是通道是雙向的，可以用于讀、寫和同時(shí)讀寫操作。
（3）Selector
多路復(fù)用器，用于注冊(cè)通道。客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求都會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請(qǐng)求時(shí)才啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理。
這里我們同樣寫一個(gè)demo作為例子，來讓大家知道怎么使用和使用NIO的步驟，為了讓大家看的比較清楚，在適當(dāng)?shù)牡胤教砑恿俗⑨尅Ｍ瑯拥南葘懛?wù)端的代碼：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/02 13:35*/ public class NIOServer implements Runnable {// 多路復(fù)用器， 選擇器。 用于注冊(cè)通道的。private Selector selector;// 定義了兩個(gè)緩存。分別用于讀和寫。 初始化空間大小單位為字節(jié)。private ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);private ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);public static void main(String[] args) {new Thread(new NIOServer(9999)).start();}public NIOServer(int port) {init(port);}private void init(int port){try {System.out.println("server starting at port " + port + " ...");// 開啟多路復(fù)用器this.selector = Selector.open();// 開啟服務(wù)通道ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();// 非阻塞， 如果傳遞參數(shù)true，為阻塞模式。serverChannel.configureBlocking(false);// 綁定端口serverChannel.bind(new InetSocketAddress(port));// 注冊(cè)，并標(biāo)記當(dāng)前服務(wù)通道狀態(tài)/** register(Selector, int)* int - 狀態(tài)編碼* OP_ACCEPT ： 連接成功的標(biāo)記位。* OP_READ ： 可以讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)記* OP_WRITE ： 可以寫入數(shù)據(jù)的標(biāo)記* OP_CONNECT ： 連接建立后的標(biāo)記*/serverChannel.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("server started.");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic void run(){while(true){try {// 阻塞方法，當(dāng)至少一個(gè)通道被選中，此方法返回。// 通道是否選擇，由注冊(cè)到多路復(fù)用器中的通道標(biāo)記決定。this.selector.select();// 返回以選中的通道標(biāo)記集合， 集合中保存的是通道的標(biāo)記。相當(dāng)于是通道的ID。Iterator<SelectionKey> keys = this.selector.selectedKeys().iterator();while(keys.hasNext()){SelectionKey key = keys.next();// 將本次要處理的通道從集合中刪除，下次循環(huán)根據(jù)新的通道列表再次執(zhí)行必要的業(yè)務(wù)邏輯keys.remove();// 通道是否有效if(key.isValid()){// 阻塞狀態(tài)try{if(key.isAcceptable()){accept(key);}}catch(CancelledKeyException cke){// 斷開連接。 出現(xiàn)異常。key.cancel();}// 可讀狀態(tài)try{if(key.isReadable()){read(key);}}catch(CancelledKeyException cke){key.cancel();}// 可寫狀態(tài)try{if(key.isWritable()){write(key);}}catch(CancelledKeyException cke){key.cancel();}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}private void write(SelectionKey key){this.writeBuffer.clear();SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();Scanner reader = new Scanner(System.in);try {System.out.print("put message for send to client > ");String line = reader.nextLine();// 將控制臺(tái)輸入的字符串寫入Buffer中。 寫入的數(shù)據(jù)是一個(gè)字節(jié)數(shù)組。writeBuffer.put(line.getBytes("UTF-8"));writeBuffer.flip();channel.write(writeBuffer);channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private void read(SelectionKey key){try {// 清空讀緩存。this.readBuffer.clear();// 獲取通道SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();// 將通道中的數(shù)據(jù)讀取到緩存中。通道中的數(shù)據(jù)，就是客戶端發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)。int readLength = channel.read(readBuffer);// 檢查客戶端是否寫入數(shù)據(jù)。if(readLength == -1){// 關(guān)閉通道key.channel().close();// 關(guān)閉連接key.cancel();return;}/** flip， NIO中最復(fù)雜的操作就是Buffer的控制。* Buffer中有一個(gè)游標(biāo)。游標(biāo)信息在操作后不會(huì)歸零，如果直接訪問Buffer的話，數(shù)據(jù)有不一致的可能。* flip是重置游標(biāo)的方法。NIO編程中，flip方法是常用方法。*/this.readBuffer.flip();// 字節(jié)數(shù)組，保存具體數(shù)據(jù)的。 Buffer.remaining() -> 是獲取Buffer中有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的方法。byte[] datas = new byte[readBuffer.remaining()];// 是將Buffer中的有效數(shù)據(jù)保存到字節(jié)數(shù)組中。readBuffer.get(datas);System.out.println("from " + channel.getRemoteAddress() + " client : " + new String(datas, "UTF-8"));// 注冊(cè)通道， 標(biāo)記為寫操作。channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_WRITE);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();try {key.channel().close();key.cancel();} catch (IOException e1) {e1.printStackTrace();}}}private void accept(SelectionKey key){try {// 此通道為init方法中注冊(cè)到Selector上的ServerSocketChannelServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();// 阻塞方法，當(dāng)客戶端發(fā)起請(qǐng)求后返回。 此通道和客戶端一一對(duì)應(yīng)。SocketChannel channel = serverChannel.accept();channel.configureBlocking(false);// 設(shè)置對(duì)應(yīng)客戶端的通道標(biāo)記狀態(tài)，此通道為讀取數(shù)據(jù)使用的。channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}} }

然后再寫客戶端的代碼：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/02 13:35*/ public class NIOClient {public static void main(String[] args) {// 遠(yuǎn)程地址創(chuàng)建InetSocketAddress remote = new InetSocketAddress("localhost", 9999);SocketChannel channel = null;// 定義緩存。ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);try {// 開啟通道channel = SocketChannel.open();// 連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。channel.connect(remote);Scanner reader = new Scanner(System.in);while(true){System.out.print("put message for send to server > ");String line = reader.nextLine();if(line.equals("exit")){break;}// 將控制臺(tái)輸入的數(shù)據(jù)寫入到緩存。buffer.put(line.getBytes("UTF-8"));// 重置緩存游標(biāo)buffer.flip();// 將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器channel.write(buffer);// 清空緩存數(shù)據(jù)。buffer.clear();// 讀取服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)int readLength = channel.read(buffer);if(readLength == -1){break;}// 重置緩存游標(biāo)buffer.flip();byte[] datas = new byte[buffer.remaining()];// 讀取數(shù)據(jù)到字節(jié)數(shù)組。buffer.get(datas);System.out.println("from server : " + new String(datas, "UTF-8"));// 清空緩存。buffer.clear();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally{if(null != channel){try {channel.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}} }

然后我們先啟動(dòng)服務(wù)端，然后再啟動(dòng)客戶端

3.3 AIO

AIO–異步非阻塞，進(jìn)行讀寫操作時(shí)，只須直接調(diào)用api的read或write方法即可。一個(gè)有效請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，客戶端的IO請(qǐng)求都是OS先完成了再通知服務(wù)器應(yīng)用去啟動(dòng)線程進(jìn)行處理。這里就不做代碼演示了，大家又需要可以自己去找一些代碼查看，操作起來比較簡(jiǎn)單。

4.總結(jié)

最后給大家做一下總結(jié)，從效率上來說，可以簡(jiǎn)單理解為阻塞IO<非阻塞IO<多路復(fù)用IO<信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO<異步IO。從同步和異步來說，只有異步IO模型是異步的，其他均為同步。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的常用 IO 模型图解介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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