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Java 面试宝典：你知道几种 I/O 模型？

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 2024-04-04
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版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。 本文链接：https://www.skjava.com/mianshi/baodian/detail/7030053551

回答

I/O 模型决定了数据如何从输入源（如网络）传输到应用程序，或者如何从应用程序传输到输出目的地。在《UNIX网络编程》中，有 5 种 I/O 模型：

  • 阻塞I/O模型
    1. 应用程序发起一个 I/O 操作后，将一直等待直到操作完成。在这个过程中，应用程序被阻塞，不能执行其他任务。
    2. 在简单应用中易于理解和实现，但是在高并发场景下效率较低，不推荐。
  • 非阻塞I/O模型
    • 应用程序发起一个 I/O 操作后不会被阻塞，而是立即返回一个状态。应用程序需要不断地检查这个 I/O 操作是否完成（通常通过轮询实现）。
    • 需要应用程序不断轮询检查状态，增加 CPU 的负担。
  • I/O复用模型
    • 利用 select、poll、epoll 等机制，允许单个线程同时监视多个文件描述符（FD）。当某个 FD 准备就绪（可读、可写、异常等），相应的操作可以进行，无需阻塞等待其他 FD。
    • 目前高并发网络编程中最常用的模型，可以有效地支持高并发场景。
  • 信号驱动I/O模型
    • 应用程序告诉内核启动一个操作，并让内核在 I/O 操作真正可执行时通过信号通知它。应用程序在等待信号时不被阻塞。
  • 异步I/O模型
    • 应用程序发起一个 I/O 操作后立即返回，继续执行其他任务。当 I/O 操作真正完成时，应用程序会收到一个通知。
    • 理论上提高最高的性能，但是实现的复杂性比较高，而且并不是所有平台都能够有效地支持异步 I/O。

详解

操作系统为了能够以一种安全的方式持续运行，它是不允许应用程序随意地访问计算机硬件部分的，比如内存、硬盘、网卡等等。如果应用程序要访问硬件部分，不如读取磁盘上面的文件，就必须要通过操作系统提供的API来访问，以达到安全的访问控制。所以，I/O 对应用程序而言，强调的则是通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。图例如下：

所以，应用程序发起一次IO访问是分为两个阶段的：

  1. IO 调用阶段：应用程序向内核发起系统调用。
  2. IO执行阶段：内核执行IO操作并返回。
    1. 数据准备阶段：内核等待IO设备准备好数据
    2. 数据拷贝阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区

在后面描述的阻塞与非阻塞都是基于这两个阶段

阻塞I/O模型

阻塞 I/O 是最基本、最传统的 I/O 模型。在该模型中，当应用程序发起一个 I/O 操作时，它将会一直等待操作系统完成这个操作。在这个等待过程中，应用程序被“阻塞”，即它不能执行其他任何任务或处理其他 I/O 请求，只能在这里干等着。模型图例：

应用程序发起一个系统调用（recvform），这个时候应用程序会一直阻塞下去，直到内核把数据准备好，并将其从内核复制到用户空间，复制完成后返回成功提示，这个时候应用程序才会继续处理数据。

所以，阻塞IO模型在IO两个阶段都会阻塞。

在 Java 中，传统的 I/O 操作（如 java.io.InputStream 和 java.io.OutputStream）是基于阻塞 I/O 模型的，当我们从 InputStream 读取数据或向 OutputStream 写入数据时，相关的方法调用会一直阻塞，直到操作完成。如下代码：

InputStream in = new FileInputStream("example.txt");
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead;

// 以下循环会在每次 read() 调用时阻塞，直到有数据可读
while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
    // 处理读取到的数据
}

in.close();

它的优点是简单且容易实现，但是它整个过程都是阻塞的，进程一直挂起，程序性能较为低，不适用并发大的应用。

场景：某天，你跟你女朋友（假如你有女朋友）去饭店吃饭，点完餐后，你就做坐那里一直等菜做好后，吃饱喝足才离开。这期间你和你女朋友由于担心不知道菜什么时候才能做好，所以这个期间你们就只能一直在座位上面等着，什么时候也不能干。

非阻塞 IO模型

非阻塞 I/O 模型，I/O 请求的调用会立即返回一个状态，而不是等到操作完全完成。程序继续运行，同时不断地“轮询”检查 I/O 操作是否已完成。图例如下：

应用程序发起recvform系统调用，如果数据报没有准备会则会立即返回一个EWOULDBLOCK错误码，进程并不需要进行等待。进程收到该错误后，判断内核数据还没有准备好，它还可以继续发送 recvform，如果数据报已经准备好了，待数据从内核拷贝到用户空间返回成功指示后，进程则可以处理数据报了。

非阻塞 I/O 模型不会阻塞程序的执行，但是它需要程序通过轮询的方式显示地检查 I/O 操作是否已完成，这个轮询的过程是需要消耗 CPU 资源的。该模型与阻塞 I/O 一样，实现稍微简单些，也不适用于高并发的业务场景。

在 Java NIO 中，它提供了非阻塞 I/O 的支持，如下：

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
// 非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);

场景：一个星期后，你跟你女朋友还是去那家餐厅吃饭，点完菜后，你女朋友吸取上次教训，知道要在这里干等，所以还不如去逛逛，买点香水口红啥的。但是呢，由于你们担心会错过上菜，所以你们就每隔一段时间就来问下服务员，你们的菜准备好了没有，来来回回好多回，若干次后，终于问到菜已经准备好了，然后你们就开心的吃起来。

I/O复用模型

在 I/O 复用模型中，应用程序使用一种机制（select、poll或epoll）来监测多个I/O通道，当至少一个I/O通道准备好进行I/O操作（如读取或写入）时，它就通知应用程序。图例如下：

多个进程的I/O注册到一个复用器（select）上，然后用一个进程监听该 select，select 会监听所有注册进来的I/O。如果内核的数据报没有准备好，select 调用进程会被阻塞，而当任一I/O在内核缓冲区中有数据，select调用就会返回可读条件，然后进程再进行recvform系统调用，内核将数据拷贝到用户空间，注意这个过程是阻塞的。

Java NIO 中的 Selector 是 Java NIO 的核心，它允许一个单独的线程监控多个通道的I/O事件。一个Selector实例可以同时检测多个通道上的数据可读、可写、连接就绪等事件。这就是I/O用的体现。

在实际的Java NIO 开发中，我们通常会创建一个Selector，并将多个SelectableChannel（例如SocketChannel）注册到这个选择器上。每个通道都会指定感兴趣的事件（如读、写、连接等）。然后，程序通过循环调用select()方法来检测哪些通道准备好了对应的事件。当select()方法返回后，程序会迭代已选择的键集（selected key set），并根据每个键（Key）的状态执行相应的IO操作。如下：

public class NioServerExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建Selector和ServerSocketChannel
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();

        // 绑定端口，并设置为非阻塞模式
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverSocket.configureBlocking(false);

        // 将ServerSocketChannel注册到Selector，关注OP_ACCEPT事件
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 创建一个Buffer用于数据读取
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);

        while (true) {
            // 阻塞等待需要处理的事件
            selector.select();

            // 获取所有接收事件的SelectionKey实例
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();

                if (key.isAcceptable()) {
                    // 接受客户端连接
                    SocketChannel client = serverSocket.accept();
                    client.configureBlocking(false);

                    // 注册读事件
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 读取数据
                    //....
                }
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

场景：还是那家餐厅，开始的时候，大家都是在那里等，服务员只需要等菜做好，端上来就可以了，某天有些小伙伴发现你跟你女朋友竟然利用等菜的空闲时间去逛街（虽然累，但好歹也买了几件东西对吧），然后他们也采用了这种方式，这个时候服务员就受不了了，你们隔一段时间就来问，隔一段时间就来问，烦都烦死了，于是他想了一个办法，说，你们派一个人来问就可以了，我这边做了由他来告诉你们菜是否已经做了好。

关于 I/O 多路复用，可以阅读这篇文章：请说下你对 Netty 中Reactor 模式的理解

信号驱动IO模型

模型图例如下：

在信号驱动IO模型中，应用程序首先会设置一个信号处理器。这就是在告诉操作系统，当 I/O 操作准备好执行时，操作系统应该向应用程序发送一个特定的信号。应用程序发起一个非阻塞的IO操作（调用 sigaction），非阻塞意味着立刻返回，所以应用程序发送完请求后就可以继续执行其他任务。

一旦 I/O 操作准备好后，操作就会向应用程序发送一个信号（SIGIO），应用程序预先定义的信号处理函数随后被调用。这个处理函数通常会执行实际的IO操作。

该模型在等待数据阶段是不会阻塞的，适用于高并发场景。但是它的模型比较复杂，实现起来有困难，同时不同操作系统对信号的处理可能有所不同，这可能会导致应用程序在不同系统间移植时遇到问题。

场景：有人帮你问，其实也不是那么好，因为你还是要等他来告诉你，而且他是只要你们当中有一个人的菜做好了就告诉你们所有人。于是，你们又想了一种方案，我点完菜后，我告诉服务员，我留我的微信在你这里，菜做好后，你告诉我就可以了。这样你女票就可以利用这个空余时间逛更久了。

异步IO模型

异步IO模型是一个完完全全的异步操作了。当应用程序发起一个 I/O 请求后，可以立即继续执行其他任务，而不需要等待IO操作的完成。当IO操作实际完成时，应用程序会收到通知。图例如下：

该模型整个过程完全异步，不阻塞，能够更好地利用系统资源，提供了程序的整体效率，但是它的模型复杂，实现难度大。

场景：虽然留电话的方式不错，你只需要留一个微信就可以了，瞬间解放了，后面你又发现了一个问题，你到了餐厅后，还不能立刻吃饭，因为他们还要上菜，这个过程你还是要等，如果你到店后立刻就可以吃难道不是更爽么？所以你服务员沟通说，你做好菜后，直接上，完成后再微信通知你，你到店后就直接吃了。这样你是不是更加爽了？

最后

五种IO模型，层层递进，一个比一个性能高，当然模型的复杂度也一个比一个复杂。最后用一张图来总结下：

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