一文搞清楚Java中常见的IO模型

什么是IO

首先，我们要清楚什么是IO，根据冯诺依曼结构，计算机结构分为5部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
输入设备和输出设备都属于外设，网卡、硬盘这种既可以属于输入设备也可以属于输出设备。
输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。
从数据结构的时间来看的话，IO描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。
从应用程序的角度来看:
为了保证操作系的稳定性和安全性，一个进程的地址划分为用户空间和内核空间。
我们平时运行的程序都是在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理，进程通信，内存管理等。也就是我们进行IO操作，一定要有依赖内核空间的能力。并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。
当要执行IO操作的时候，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。
因此，用户进程想要执行IO操作的话，必须通过系统调用来简介访问内核空间。我们平常开发种接触最多的就是磁盘IO（读写文件）和网络IO（网络请求和响应）。
从应用程序角度来说，我们应用程序对操作系统内核发起IO调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的IO操作。也就是说我们的应用程序实际上只是发起了IO操作的调用而已，具体的IO执行时由擦欧总系统完成的。
当IO发起待用时，会经历两个步骤：

• 内核等待IO设备准备好数据
• 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

下面来介绍一些基本概念：

阻塞非阻塞 指的是在客户端

• 阻塞: 意味着 客户端提出一个请求以后，在得到回应之前，只能等待
• 非阻塞: 意味着 客户端提出一个请求以后，在得到回应之前，客户端还可以做其他事情，可以继续提其他请求
  同步异步 指的是服务器端
• 同步：意味着 服务器接受一个请求后，在返回结果以前不能接受其他请求
• 异步：意味着 服务器接受一个请求后，尽管还没有返回结果，但是可以继续接受其他请求

举个例子
珂珂领着女朋友牛牛去超市购物，买了很多东西，当他走到收银员那里结账的时候，珂珂(客户端)发出了要求结账的讯息(请求)，收银员(服务器)会对他这一要求进行处理。此时有可能产生多种场景

1. 珂珂傻傻地等着收银员用计算器算出所有物品的总价，并准备付款。(同步阻塞)
2. 珂珂觉得自己太傻了，于是一边和女朋友牛牛聊天，一边催促收银员快点计算出总价。(同步非阻塞)
3. 珂珂傻傻地等着收银员的总价结果，收银员却把计算的工作交给计算机之后就去拿袋子帮忙装东西，直到计算机上出现了总价结果，收银员才继续回来完成收款工作。(异步阻塞)
4. 珂珂觉得自己太傻了，于是一边和女朋友牛牛聊天，一边催出收银员快点计算出总价，而收银员却把计算的工作交给计算机之后就去拿袋子帮忙装东西，直到计算机上出现了总价结果，收银员才继续回来完成收款工作。(异步非阻塞)

此时的同步异步，指的是收银员是否在处理收款这一请求的过程中去做了其他的事情，这也导致了收款的结果是当时告诉了珂珂，还是之后又进行了额外的通知。

而阻塞非阻塞，指的是珂珂是否在等待处理结果的过程中去做了其他的事情。

那么因此，就能得出结论：

同步和异步：关注的是被调用者是否会通过原调用通知调用者。换句话说，处理请求者是通过原调用将结果返回，还是通过其他方式将结果通知调用者。

阻塞和非阻塞：关注的是调用者是否会一直等待被调用者的通知。换句话说，发出请求者是否会在等待过程中去做别的事情。

简单的记忆方法
同步阻塞：A调用B，然后A一直等待B的返回；B执行完后通过原调用接口返回结果。
同步非阻塞：A调用B，然后A执行其他操作，隔段时间看看原调用接口是否有返回结果；B执行完后通过原调用接口返回结果。
异步阻塞：A调用B，然后A一直等待B的回调；B执行完后通过回调、状态等其他方式通知A结果。
异步非阻塞：A调用B，然后A继续做别的，不再搭理B；B执行完后通过回调、状态等其他方式通知A结果。

了解了这些，我们再说Java中有哪些常见的IO模型吧

1. 同步阻塞IO（BIO）

在BIO中，应用程序发起read调用后，会一直阻塞，知道在内核把数据拷贝到用户空间

我们经常用的IO比如：InputStream 和 OutputStream、Reader 和 Writer、
Socket 编程、File I/O。
BIO 模型的优点是简单易懂，适用于一些并发要求不高的场景。但它也有明显的缺点，主要体现在并发性能上：

• 阻塞：BIO 的阻塞特性限制了服务器的并发性能，因为每个连接都需要一个线程来处理，当连接数较多时，线程数量也会增多，占用大量系统资源。
• 扩展性差：由于每个连接都需要一个独立的线程，线程数量受限于操作系统和硬件资源，难以实现高并发。
• 高开销：线程的创建和销毁以及线程切换都会带来额外的开销，降低了系统的性能。

为了解决 BIO 模型的性能问题，后续发展了 NIO（New I/O）和 AIO（Asynchronous I/O）等模型，它们采用了非阻塞和异步的方式来提高并发性能。因此，在高并发和性能要求较高的应用中，通常会选择使用 NIO 或 AIO 模型来替代传统的 BIO 模型。

2. 同步非阻塞IO(NIO)

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

NIO（New I/O，也称为 Non-blocking I/O）是 Java 中用于进行非阻塞式 I/O 操作的一种编程模型。它在 Java 1.4 版本引入，提供了一种更高效处理 I/O 操作的方式，特别适用于需要处理大量并发连接的网络应用程序。以下是常见的 NIO 组件和类：

• Channels（通道）： NIO 提供了一种新的通道抽象，它是双向的，可以支持读和写操作。常用的通道包括：
• FileChannel：用于文件操作，支持文件的读写和定位操作。
• SocketChannel：用于网络套接字的读写。
• ServerSocketChannel：用于监听传入的 TCP 连接请求。
• DatagramChannel：用于 UDP 数据报的读写。
• Buffers（缓冲区）： NIO 使用缓冲区来读写数据。常见的缓冲区包括：
• ByteBuffer：用于读写字节数据。
• CharBuffer：用于读写字符数据。
• ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer：用于读写不同数据类型的数据。
• Selectors（选择器）： 选择器是 NIO 的核心组件，用于多路复用 I/O 通道。它可以监视多个通道

NIO 的主要特点是非阻塞和事件驱动，能够更高效地处理大量并发连接，适用于构建高性能的网络服务器和大规模的数据传输应用。与传统的 BIO 模型相比，NIO 更适合需要处理大量连接的场景，如 Web 服务器、聊天服务器等。

3. IO多路复用(AIO)

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。