前面介绍了Unix的I/O模型以及多路复用的c实现，为什么要介绍这些呢？ 因为JVM是用c++写的，JDK的native方法也都是用c写的，最后它们调用 的还是操作系统底层的api,所以了解一些关键的底层原理还是有必要的。

讲Java的NIO之前，先讲些基础知识.

1. 基础知识

1.1 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是 应用进程在等待调用结果时的状态 , 如果应用进程在等结果的时候 将自己挂起 ，直到得到结果再返回，这是阻塞调用 如果应用进程在等结果的时候 不会将自己挂起 就返回, 这是非阻塞调用。

举个栗子，你去买星巴克, 如果你点了杯咖啡然后一直等着啥也不干直到咖啡送到你手上，这叫阻塞等待，如果你点了杯咖啡后去刷刷微博，然后不时回来看看咖啡好了没有，这叫非阻塞等待

1.2 同步和异步

而同步和异步关注的是 通信

同步就是应用进程在发起一个调用之后，在没有得到结果之前，就不返回(不管有没有挂起自己)，也就是进程(调用方)主动等待结果。

异步是只应用进程在发起一个调用之后，不等待结果就返回了。也就是说，是靠被调用方通过状态或者回调函数来通知进程结果。

举个栗子: 你去买星巴克，点了杯咖啡之后，老板说我先去买原料ABCD,你等啊等，等老板买完做完了给你了你才离开, 这个是同步。 异步就是你点了咖啡之后，你先去happy, 等好了老板打电话大吼一声通知你来取。

1.3 之间有关联？

回顾我们之前的Unix基本I/O模型

Non-Blocking I/O和Signal-Driven I/O在数据准备阶段都不会阻塞，前者要轮询内核数据是否准备好，后者是直接等待内核通知回调 Asynchronous I/O是在真正意义上的POSIX定义的异步io操作, 在数据准备和复制阶段都不会阻塞应用,但是编程难度大 I/O Multiplexing在数据准备阶段也会阻塞，但是可以处理更多I/O请求，也就是说加了层中间人抽象，虽然阻塞了应用进程，但是能知道多个fd可读可写,也是大名鼎鼎的reactor模式的基础

从上面的角度看，其实只是关注点不一样，阻塞的调用关注的是等待结果时的状态，所以

• 如果进程或线程是被挂起了，就是阻塞的，那么这个进程/线程也干不了别的，直到拿到结果后返回，所以也是同步的.
• 如果进程或线程没被挂起，就是非阻塞的, 这个进程可以先返回，等啥时候好了再回调或者改状态，这个叫异步. 如果这个进程一直在check直到拿到结果了才返回，这就是同步

1.4 BIO介绍

在jdk1.4之前，Java的I/O是使用 基于流的抽象模型 来做的，IO流模型是把设备抽象成一个个管道，管道里每个数据单元依次排列,这是一种 同步阻塞模型 .

类似于一个自来水管，源头放在数据源上，出口是你的Java程序。 流是有方向的，水流出去了就没法让它流回来。

最基础的2个抽象是InputStream和OutputStream,I/O流都使用了隐式的指针来记录当前准备从哪个数据单元读取，其余的类功能都是在这两个类的基础上做装饰的。

例如为了简化操作提高I/O效率的BufferedInputStreamReader，一次java函数调用就能读写大量的内容(应用层看来)，而不是每次处理一个数据单元。

2. BIO的局限

JDK1.4之前，java的io包里的输入流和输出流抽象都是 面向流的模型 , 一次只能处理一个字节，效率不高，并且会阻塞进/线程。

在网络编程中，BIO没有引入I/O多路复用模型，并且BIO里的方法都是同步阻塞的，所以通常都是起一个accepter线程去阻塞监听客户端连接,接收到请求之后起一个新的线程去处理。

这样有几个明显的缺点:

1. 客户端连接很多的时候，会创建大量的处理线程，每创建一个线程都需要分配一定的栈空间,一般是1K~1M,那么4G内存也只能起4000~40000个线程。
2. 线程多导致上下文切换严重
3. 阻塞导致负责网络数据读写的线程不可复用

其中， 1可以使用线程池来解决，但是线程池的处理能力是有限的。 阻塞导致负责网络数据读写的线程不可复用, 在高并发大量连接的场景下，假如某个线程要从socket里读1k的数据，但是现在客户端网络不行，只发了0.1k, 那么这个线程池里的线程也阻塞在那里, 没有让出资源去读别的socket中的数据,导致整体效率不高，整体连接数也有限。

3. NIO的设计

为了解决BIO的问题，在JDK1.4以后，加入了NIO(New IO, 也有说法称Non-Blocking-IO) NIO的设计依然是基于流的，只是可以非阻塞的读写了。

大家都知道，每个网络服务都有的基础结构:

1. 接收网络请求
2. 解析请求
3. 处理请求,得到结果
4. 加密结果
5. 发送网络响应

NIO的作者Doug Lea在Scalable IO in Java里讲到, NIO的设计目标是:

• 持续增加的负载下的优雅降级
• 硬件资源(CPU, 内存，磁盘，宽带)的提升带来IO性能的提升
• 低延迟，流量高峰，可调优

处理过程可以分治，将一个大过程分成n个小任务，这将需要非阻塞(Non Blocking)的支持 在合适的时机，触发小任务, 这需要某种事件分发(Event Dispatch)手段

Doug Lea大佬似乎从AWT中得到了启发，使用了Java的事件驱动的设计(Event Driven Design):

• AWT线程 —> Reactor,接收I/O事件并分发到合适的处理器
• AWT的ActionListener —> Handlers, 执行非阻塞操作
• AWT的addActionListener —-> handler绑定事件

在NIO中，它们的概念实现分别是(NIO网络核心):

• Channel, 对非阻塞的支持, Channel可以连接文件，socket等
• Buffer, 类似数组, 可以直接由Channnel读写, DirectByteBuffer可以分配堆外内存
• Selector, 就是上面的Reactor, 告知哪些Channel上发生了I/O事件
• SelectionKey, 代表I/O事件状态和绑定

其中，Selector就是I/O多路复用在Java里的封装，由内核来完成事件分发和告知，这样即使只有1个Java线程也能处理很多链接。

其他还有些NIO的特性后续也会谈到，如:

• 内存映射文件 , 这样就可以像访问内存一样来访问文件了。
• 文件传输, 有个send_file系统调用，可以直接让磁盘文件数据拷贝到socket缓冲区,或者从socket缓冲区拷贝到文件
• 直接内存， Java的socket往外读写数据都要先复制堆内的数据到堆外，然后再调用send(因为堆内的对象地址会变，socket的send用c写的,地址不能变)

参考资料

1. java中的zero-copy高性能文件数据传输
2. Scalable IO in Java

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