谈谈面试中常问的I/O模型

一、IO介绍

1.1 Java中IO的分类

以下部分源自网络相关资料。

  1. IO按照处理的数据类型可分为:

    (1)面向字节操作的I/O接口：inputStream，outputStream

    (2)面向字符操作的接口：Reader，Writer

  2. IO按照数据的传输方式可分为：

    (1)面向磁盘操作的I/O接口：File

    (2)面向网络操作的I/O接口：Socket

1.2 Unix中的五种IO模型

以下分类的前提都是Linux/Unix环境下的网络IO，这点需要注意一下。

一个输入操作通常包括两个阶段:

  1. 等待数据准备好

  2. 从内核向进程复制数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix中有五种I/O模型:

  1. 阻塞式I/O

  2. 非阻塞式I/O

  3. I/O复用

  4. 信号驱动I/O

  5. 异步I/O

阻塞I/O模型:

最常见的一种IO模型，之前介绍过，一个read操作是分两个阶段的，第一个阶段是，等待数据准备就绪，第二个阶段是将数据拷贝到调用这个IO的线程中。阻塞是发生在第一个阶段的，当数据没有准备好时，会一直阻塞用户线程，当数据就绪后再将数据拷贝到线程中，并返回结果给用户线程。

其实，大部分的socket接口都是典型的阻塞型。所谓阻塞型的接口是指系统调用（一般是IO接口）不返回调用结果并让当前线程一直阻塞，只有当该系统调用获得结果或者超时出错时才返回。

通过介绍了阻塞IO，我们很容易就会发现它的问题，那就是阻塞会是用户线程无法进行任何运算和请求。一般我们的处理这种问题的情况是使用多线程，每个链接创建一个线程，或是使用线程池来管理线程，或许可以缓解部分压力，但是不能解决所有问题。多线程模型可以方便高效的解决小规模的服务请求，但面对大规模的服务请求，多线程模型也会遇到瓶颈，可以用非阻塞接口来尝试解决这个问题。

非阻塞式I/O

非阻塞IO模型是这样一个过程，当应用程序发起一个read操作时，并不会阻塞，而是立刻会收到一个结果。应用程序的线程发现返回结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

这样的一个过程，其实是需要用户线程不断的去询问系统是否准备好了数据，这样就会一直占用CPU资源。但是这种模型是在只专门提供某种功能的系统才有。

多路I/O复用技术

在介绍多路复用I/O时就要先简单说明一下，select函数和poll函数。

select函数

select函数允许进程指示内核等待多个事件中的任何一个事件发生，并且只在有一个或多个事件发生或经历一段指定的时间后才唤醒它。

举个例子，我们可以调用select，告知内核仅在下列情况发生时才返回：

集合 {1,4,5} 中的任何描述符准备好读；

集合 {2,7} 中的任何描述符准备好写；

集合 {1,4} 中的任何描述符有异常条件待处理；

已经经历10.2秒；

也就是说，我们调用select告知内核对哪些描述符（读、写或异常条件）感兴趣以及等待多长时间。

poll函数

poll函数起源于SVR3，最初局限于流设备。SVR4取消了这种限制，允许poll工作在任何描述符上。poll函数提供的功能与select函数类似，但是poll没有最大文件描述符数量的限制。

select函数和poll函数将就绪的文件描述符告诉进程后，如果进程没有对其进行IO操作，那么下次调用select函数或者poll函数时会再次报告这些文件描述符， 所以他们一般不会丢失就绪的消息，这种方式称为水平触发(Level Triggered)。

简单的解了select函数和poll函数后，下面我们就继续说多路I/O复用模型。多路IO复用模型就是调用select或poll函数，并且此模型的阻塞过程就是发生在调用这两个函数中的，而不是发生在真正的的I/O系统调用上的，使用select或poll的好处在于可以用单个线程或进程，处理多个网络连接的IO。整个过程就是select或poll函数会不断的轮询所负责的socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户线程或进程。

信号驱动IO

因为实际用到的比较少, 本文不做介绍
异步IO

异步IO模型的过程是这样的，当用户线程发起read操作时，告知内核启动读取数据操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核复制到我们自己的缓冲区）完成后通知我们。这样在内核执行读取数据操作时，用户线程可以继续执行，当接收到内核在整个操作都完成的信号时，就可以直接去使用数据了。

在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程或进程，这两个阶段都是由内核完成的，然后发送一个信号告知用户线程或进程操作已完成。异步IO模型与信号驱动IO模型的区别在于，信号驱动IO模型是由内核通知用户线程何时启动一个IO操作，而异步IO模型是由内核通知我们IO操作何时完成，异步IO模型中用户线程并不需要进行实际的读写操作，只需要在内核操作完成后，接到读取完成信号后，直接使用数据即可。

异步IO是需要操作系统底层支持的，Linux从内核2.6版本才开始支持异步IO。在Java 7中就已经支持异步IO了。

本文源自网络。

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