Java网络IO涵盖的知识体系很广泛，本文将简单介绍

Java网络IO覆盖的知识体系非常广泛。本文将简单介绍Java网络IO的相关知识。

从操作系统开始

为了保护操作系统的安全，内存分为用户空间和内核空间两部分。如果用户想要操作内核空间中的数据，则需要将数据从内核空间复制到用户空间。

例如，如果服务器收到来自客户端的请求并想要处理它，它需要经过以下步骤：



因此，我们可以将服务器接收消息理解为两个阶段：

操作系统中的IO

这里我们以Linux操作系统为例。Linux是一个把所有外部设备都当作文件来操作的操作系统。在它看来：一切都是文件，那么我们把对外部设备的操作看作是对文件的操作。而我们需要调用内核提供的系统调用来读写文件。

在Linux中，一个基本的IO涉及到两个系统对象：一个是调用这个IO的进程对象（用户进程），另一个是系统内核。也就是说，当一个读操作发生时，它会经历这些阶段：

在此期间会发生几个 IO 操作：

有的读者可能会认为同步IO和异步IO的操作类似于阻塞IO和非阻塞IO。他们为什么要分开？作者认为同步、异步和阻塞，非阻塞是从不同的角度来看问题。

同步和异步

同步和异步主要是从消息通知的角度。

同步是指当一个任务A的完成需要依赖另一个任务B时，A只有在B任务完成后才能成功执行，是一个可靠的任务队列。要么都成功，要么都失败，两个任务的状态可以保持不变。

异步意味着不需要等待任务B完成，而是通知任务B完成什么工作，任务A会立即执行。只要任务A完成了自己的执行，整个任务就完成了。至于最终任务B是否真正完成，任务A无法确定，所以这是一种不可靠的任务队列。

比如小J想去银行柜台办事，拿号排队。如果他只是盯着数字标志，不时问他是否在计算机中io设备是什么，这是同步的；如果他拿了号码然后打电话，当柜员到达他的线路时，柜员通知他去办理业务，这是异步的。它们的区别在于等待消息通知的方式不同。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞主要是从等待消息通知时的状态来看。

阻塞是指在调用结果返回之前，当前线程会被挂起，等待消息通知，不能执行其他服务。其他操作只有在调用结果返回后才能进行。

非阻塞对应阻塞的概念，意思是函数不会阻塞当前线程，直到不能立即得到结果，而是立即返回。非阻塞方式虽然看似显着提高了CPU利用率，但也会增加系统的线程切换。有必要评估增加的 CPU 执行时间是否会增加系统的切换成本。

我们继续使用上面的栗子。无论小J是在排队还是取号等待通知，如果在这个等待过程中，小J除了等待消息通知之外什么都做不了，那么这个机制就被阻塞了。如果他可以在调用时等待，则状态为非阻塞。

同步、异步和阻塞、非阻塞

事实上，可能还有其他读者将同步等同于阻塞，但实际上两者是不同的。对于同步，很多时候当前线程仍然处于活动状态，但逻辑上当前函数还没有返回。这时候，线程也会处理其他消息。也就是说，同步和阻塞其实是在消息通知机制下，从不同角度对当前线程状态的描述。

5.1 同步阻塞形式

这是效率最低的方法。以上面的栗子为例，就是小J心不在焉地排队，什么都不做。

在这里，同步和阻塞体现在：

5.2 异步阻塞形式

如果小J在银行等待交易时收到一个号码，他使用异步方法等待消息被触发（通知），等待柜员拨打他的号码，而不是一直盯着他是否在队列。. 但是这段时间，他还是不能离开银行去做其他事情，所以很明显，他在等待电话的这个操作中被阻塞了。

在这里，异步和阻塞体现在：

5.3 同步非阻塞形式

事实上，效率也很低。小J在排队的时候可以打电话，但是他得打个电话看看要多久才能到。如果您将拨打电话和观看队列视为程序中的两个操作，那么程序需要在这两种不同的行为之间来回切换。

在这里，同步和非阻塞体现在：

5.4 异步非阻塞形式

这是一种更有效的模式。拿到号码后，小J可以拨打电话，只要等待柜员拨打号码即可。在这里，打个电话是等待的事情，通知小J办理业务是柜员的事情。

在这里，异步和非阻塞体现在：

也就是说，同步和异步只需要关注消息如何通知的机制，而阻塞和非阻塞则关注在等待消息通知的同时是否可以做其他事情。同步情况下，handler等待消息被触发，而异步情况下，触发机制通知handler处理业务。

Linux的五种IO模型

在了解了Linux操作系统的IO操作，以及同步与异步、阻塞与非阻塞的概念之后，我们再来看看Linux系统中实现的基于同步、异步、阻塞、非阻塞的五种IO模型-阻塞。以Linux下的系统调用recv为例，它用于接收来自socket的消息。因为是系统调用，所以调用的时候会在运行一段时间后从用户空间切换到内核空间，然后再切换回来。. 默认情况下，recv 等待网络数据到达并复制到用户空间或在发生错误时返回。

6.1 同步阻塞IO模型

从系统调用 recv 到数据从内核复制到用户空间再返回期间，该进程始终处于阻塞状态。相当于小J想去柜台办理业务。如果柜台业务繁忙，他必须排队，直到他完成业务才能做其他事情。显然，这种 IO 模型是同步和阻塞的。

6.2 同步非阻塞IO模型

无论是否获取数据，这里 recv 都会返回。如果没有数据，则在一段时间后调用 recv 来查看，依此类推。就像小J来到柜台办理业务，发现柜员在休息，他就走了，过一会回来看看有没有营业，直到最后柜员开门了，才办理了业务. 而当小J中途离开时计算机中io设备是什么，他可以做自己的事情。然而，这个模型只有在没有数据要检查的时候才是非阻塞的。当数据到达时，仍然要等待数据复制到用户空间（用于业务处理），所以还是同步IO。

6.3 IO复用模型

在 IO 多路复用模型中，会在调用 recv 之前调用 select 或 poll。这两个系统调用都可以在内核准备好数据（网络数据已到达内核）时通知用户进程。调用recv时必须有数据。所以在这个模型中，进程阻塞在 select 或 poll 上，而不是在 recv 上。相当于小J来银行办理业务。大堂经理告诉他，现在各个柜台都有人在处理业务，有空位他会告诉他的。于是小 J 等了又等（正在调用 select 或 poll）。过了一会，大堂经理告诉他有一个空置的柜台可以办理业务，但是具体的柜台号码，你自己找，所以小J只能看每个柜台。

6.4 信号驱动IO模型

在这里，将通过调用 sigaction 注册信号函数。当内核数据准备好后，系统会中断当前程序并执行信号函数（这里调用recv）。相当于小J让大堂经理在柜台有空位时通知他（签到信号功能）。过了一会，大堂经理通知他，因为他是银行的VIPPP会员，所以特地开了一个柜台给他办理业务。小J去特座柜台做生意。但是即使在等待的过程中是非阻塞的，在处理业务的过程中仍然是同步的。

6.5 异步IO模型

调用 aio_read 使内核准备好数据，并在将数据复制到用户进程空间后执行预先指定的函数。就好像，小J让大堂经理在业务完成后去查看业务，过程中小J可以做自己的事情。这是真正的异步 IO。

我们可以看到前四个模型都是同步IO，因为将内核数据复制到用户空间的过程被阻塞了。最后一种异步IO，通过将IO操作交给操作系统，当前进程不关心具体IO的实现，然后通过回调函数或者信号量通知当前进程直接处理IO返回结果。

BIO、NIO、AIO的区别

上面提到了IO的四种模式：同步阻塞IO、同步非阻塞IO、异步阻塞IO、异步非阻塞IO，JavaIO中提供了三种模式的实现：BIO（同步阻塞IO）、NIO（同步非阻塞IO）阻塞IO），AIO（异步非阻塞IO）。至于这四种模式的区别，上面已经详细介绍过了。接下来，笔者将介绍这三种JavaIO类型的区别。

结语

本文从文件读写的操作系统入手，介绍了同步、异步、阻塞、非阻塞以及它们的组合IO模式。它还理解了Linux操作系统中的五种IO模型，并返回到JavaIO。BIO、NIO、AIO的区别。

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