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BIO、NIO、AIO 直接拿捏

IO

从计算机的角度解读IO:

根据冯.诺依曼结构,计算机结构分为 5 大部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

《BIO、NIO、AIO 直接拿捏》
从计算机结构的视角来看的话, I/O 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解读一下 I/O:

根据大学里学到的操作系统相关的知识:为了保证操作系统的稳定性和安全性,一个进程的地址空间划分为 用户空间(User space)内核空间(Kernel space )

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间,只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作,比如如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说,我们想要进行 IO 操作,一定是要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。

当想要执行 IO 操作时,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 来间接访问内核空间

从应用程序的视角来看的话,我们的应用程序对操作系统的内核发起 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 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。

当应用程序发起 I/O 调用后,会经历两个步骤:

  1. 内核等待 I/O 设备准备好数据(内核缓冲区)

  2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间

常见的IO模型:

UNIX 系统下, IO 模型一共有 5 种:同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O


BIO(同步阻塞IO)、NIO(同步非阻塞IO)、多路复用IO

1. 同步阻塞IO(BIO — Blocking I/O):
《BIO、NIO、AIO 直接拿捏》

阻塞IO情况下,当用户调用read后,用户线程会被阻塞(就是一直等待),等内核数据准备好并且数据从内核缓冲区拷贝到用户态缓存区后read才会返回。

2. 同步非阻塞IO:

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为,Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

我们先来看看 同步非阻塞 IO 模型

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非阻塞IO发出read请求后发现数据没准备好,会继续往下执行,此时应用程序会不断轮询 polling内核询问数据是否准备好,当数据没有准备好时,内核立即返回EWOULDBLOCK错误。直到数据被拷贝到应用程序缓冲区,read请求才获取到结果。并且你要注意!这里最后一次 read 调用获取数据的过程,是一个同步的过程,是需要等待的过程。这里的同步指的是内核态的数据拷贝到用户程序的缓存区这个过程。

相比于同步阻塞 IO 模型,同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作,避免了一直阻塞。

但是,这种 IO 模型同样存在问题:应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的

这时候 , I/O 多路复用模型 就上场了。

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IO 多路复用模型中,线程首先发起 select 调用,询问内核数据是否准备就绪,等内核把数据准备好了,用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程(数据从内核空间->用户空间)还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用,有 select,epoll 等等。select 系统调用,是目前几乎在所有的操作系统上都有支持
select 调用 :内核提供的系统调用,它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
epoll 调用 :linux 2.6 内核,属于 select 调用的增强版本,优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型,通过减少无效的系统调用,减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ,有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念,也可以被称为多路复用器。通过它,只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后,才会为其服务。

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AIO(异步IO)

同步跟异步的区别在于数据从内核空间拷贝到用户空间是否由用户线程完成,你会发现上面的提到过的操作都不是真正的异步,因为两个阶段总要等待会儿!而真正的异步 I/O 是内核数据准备好和数据从内核态拷贝到用户态这两个过程都不用等待。

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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。

总结:
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参考文章:

  1. 京东数科二面:Java 中 BIO、NIO、AIO 的区别?
  2. 阻塞、非阻塞、多路复用、同步、异步、BIO、NIO 一锅端
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