转载

图解Java IO模型(一)

对于 Java 的 IO 模型，对于大多数小伙伴都不陌生。但是想要准确的讲述这些 IO 模型之间的不同特点以及应用的范围，可能有一部分小伙伴很难讲清楚。在这篇文章中，我将尽可能清楚的讲述这些问题，希望对于坐在屏幕面前的你有一定的帮助。

在这篇文章中，我会先叙述 Linux 的 IO 模型，因为对于一些基本概念同步、异步、阻塞、非阻塞 Linux 和 Java 都是一致的，而且 Linux 的模型和 Java 的 IO 模型有相似的地方，或者说 Java 的 IO 模型有参考 Linux 的 IO 模型的地方。

Linux IO 模型

概念

内核态：核心态代码拥有完全的底层资源控制权限，可以执行任何 CPU 指令，访问任何内存地址，其占有的处理机是不允许被抢占的。

用户态：是用户程序能够使用的指令，不能直接访问底层硬件和内存地址。用户态运行的程序必须委托系统调用来访问硬件和内存。

内核态会涉及到一些比较底层或者比较危险的指令。如果对于用户开放的话，会造成比较危险的状况，所以用户不能直接调用这些指令。用户需要借助系统调用才能执行一些相关的操作。

同步/异步关注的是消息通信机制。

同步：就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。异步：调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。

阻塞/非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞：指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。非阻塞：指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

举个简单的例子。

淘宝双 11 活动，小图同学买了一本《图解 Java》的书，此时快递小哥正在派送快递的情景。

同步、异步

小图（线程/进程 A）给快递小哥（线程/进程 B）打电话（发起调用），询问送到家的时间（结果）。如果此时快递小哥说，5 分钟或者马上送到（结果）。小图（线程/进程 A）挂了电话（调用结束）。此时就是小图（线程/进程 A）和快递小哥（线程/进程 B）就是异步调用。

小图（线程/进程 A）给快递小哥（线程/进程 B）打电话（发起调用），询问送到家的时间（结果）。如果此时快递小哥说，我也不知道还要多久，我得先把手中的这几件快递先送完（不是结果）。小图（线程/进程 A）没挂电话（仍然调用）。过了一会，快递小哥送完那几件快递告诉小图，5 分钟后送到（结果）。此时就是小图（线程/进程 A）和快递小哥（线程/进程 B）就是同步调用。

同步、异步一般发生在不同的线程/进程之间。如果调用者发起调用，能马上获得调用结果，这就是异步调用。如果不能马上获得结果，需要等待被调用的线程/进程一段时间，才能获得结果，这就是同步调用。

阻塞、非阻塞

小图（线程/进程 A）给快递小哥（线程/进程 B）打电话（发起调用），但是快递小哥的电话在通话中。小图就一直等待快递小哥，也没挂电话。此时小图（线程/进程 A）处于阻塞状态。

小图（线程/进程 A）给快递小哥（线程/进程 B）打电话（发起调用），但是快递小哥的电话在通话中。小图听到快递小哥的电话在通话中，就挂断电话。之后看起了《图解 Java》公众号的文章（别的任务）。一会后，又给快递小哥打电话 …… 。此时小图（线程/进程 A）处于非阻塞状态。

阻塞、非阻塞一般发生在单个进程/线程中。当进程/线程想要进行 A 操作，但是不能立刻完成（需要其他的条件 C）。如果线程/进程一直等待，不执行其他的操作，即此时处于阻塞状态。如果该线程/进程又开始执行另外的操作 B，此时线程处于非阻塞状态。

Linux IO 模型

根据前面描述的内核态和用户态的相关概念。当应用程序发起文件调用的时候，用户态运行的程序必须委托系统调用来访问硬件和内存。这个过程主要分为两个阶段， 等待数据 和 将数据从内核拷贝到用户空间 。根据这两个阶段中，调用进程和内核进程的表现，分为五种模型。

阻塞 IO 模型：

调用进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。即应用程序调用一个 IO 函数，导致应用程序阻塞，等待数据准备好。数据准备好后，从内核拷贝到用户空间，IO 函数返回成功指示。在整个调用过程中都是阻塞的。

非阻塞 IO 模型：

调用进程在等待数据的过程中，会不断轮询数据有没有准备好。数据准备好后，从内核拷贝到用户空间，IO 函数返回成功指示。在等待数据的过程中是非阻塞的；将数据从内核拷贝到用户空间是阻塞的。

IO 复用模型：

在非阻塞 IO 模型中，需要调用线程不断去轮询，检查数据有没有准备好，在这个过程中消耗了 CPU 大量的时间。如果有其他的线程帮助去检查多个线程数据的完成状态，这样会提高效率。

Linux 提供了 select 、 poll 和 epoll 帮助我们。一个线程可以对多个 IO 端口进行监听，当 socket 有读写事件时分发到具体的线程进行处理。

select、poll、epoll 区别总结：

	支持一个进程打开连接数	IO 效率	消息传递方式
select	32 位机器 1024 个，64 位 2048 个	IO 效率低	内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作
poll	无限制，原因基于链表存储	IO 效率低	内核需要将消息传递到用户空间，都需要内核拷贝动作
epoll	有上限，但很大，2G 内存 20W 左右	只有活跃的 socket 才调用 callback，IO 效率高	通过内核与用户空间共享一块内存来实现