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引言 I/O 一直是很多Java同学难以理解的一个知识点，这篇文章将会从底层原理上带你理解I/O，让你看清I/O相关问题的本质。
1. I/O 的概念 I/O 的全称是Input/Output。虽常谈及I/O，但想必你也一时不能给出一个完整的定义。搜索了谷哥欠，发现也尽是些冗长的论述。要想厘清I/O这个概念，我们需要从不同的视角去理解它。
1.1. 从计算机结构 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。其中输入是指将数据输入到计算机的设备，比如键盘鼠标；输出是指从计算机中获取数据的设备，比如显示器；以及既是输入又是输出设备，硬盘，网卡等。
用户通过操作系统才能完成对计算机的操作。计算机启动时，第一个启动的程序是操作系统的内核，它将负责计算机的资源管理和进程的调度。换句话说：操作系统负责从输入设备读取数据并将数据写入到输出设备。
1.2. 从程序应用 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） 和 内核空间（Kernel space ） 。
应用程序作为一个文件保存在磁盘中，只有加载到内存到成为一个进程才能运行。应用程序运行在计算机内存中，必然会涉及到数据交换，比如读写磁盘文件，访问数据库，调用远程API等等。但我们编写的程序并不能像操作系统内核一样直接进行I/O操作。
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。
但操作系统向外提供API，其由各种类型的系统调用（System Call）组成，以提供安全的访问控制。
所以应用程序要想访问内核管理的I/O，必须通过调用内核提供的系统调用(system call）进行间接访问。
所以I/O之于应用程序来说，强调的通过 向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。换句话说应用程序发起的一次IO操作实际包含两个阶段：
- IO调用阶段：应用程序进程向内核发起系统调用
- IO执行阶段：内核执行IO操作并返回
2.1. 准备数据阶段：内核等待I/O设备准备好数据
2.2. 拷贝数据阶段：将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区
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。
3. BIO (Blocking I/O) 应用程序中进程在发起IO调用后至内核执行IO操作返回结果之前，若发起系统调用的线程一直处于等待状态，则此次IO操作为阻塞IO。阻塞IO简称BIO，Blocking IO。其处理流程如下图所示：
从上图可知当用户进程发起IO系统调用后，内核从准备数据到拷贝数据到用户空间的两个阶段期间 用户调用线程选择阻塞等待数据返回。
因此BIO带来了一个问题：如果内核数据需要耗时很久才能准备好，那么用户进程将被阻塞，浪费性能。为了提升应用的性能，虽然可以通过多线程来提升性能，但线程的创建依然会借助系统调用，同时多线程会导致频繁的线程上下文的切换，同样会影响性能。所以要想解决BIO带来的问题，我们就得看到问题的本质，那就是 阻塞二字。
4. NIO (Non-blocking/New I/O) 那解决方案自然也容易想到，将阻塞变为非阻塞，那就是用户进程在发起系统调用时指定为非阻塞，内核接收到请求后，就会立即返回，然后用户进程通过轮询的方式来拉取处理结果。也就是如下图所示：
应用程序中进程在发起IO调用后至内核执行IO操作返回结果之前，若发起系统调用的线程不会等待而是立即返回，则此次IO操作为非阻塞IO模型。非阻塞IO简称NIO，Non-Blocking IO。
然而，非阻塞IO虽然相对于阻塞IO大幅提升了性能，但依旧不是完美的解决方案，其依然存在性能问题，也就是频繁的轮询导致频繁的系统调用，会耗费大量的CPU资源。比如当并发很高时，假设有1000个并发，那么单位时间循环内将会有1000次系统调用去轮询执行结果，而实际上可能只有2个请求结果执行完毕，这就会有998次无效的系统调用，造成严重的性能浪费。有问题就要解决，那 NIO问题的本质就是频繁轮询导致的无效系统调用。
5. IO模型之IO多路复用 解决NIO的思路就是降解无效的系统调用，如何降解呢？我们一起来看看以下几种IO多路复用的解决思路。
O 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。
7. AIO (Asynchronous I/O) AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。
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。
8. 总结 I/O 其关键点是要将应用程序的IO操作分为两个步骤来理解：IO调用和IO执行。IO调用才是应用程序干的事情，而IO执行是操作系统的工作。在IO调用时，对待操作系统IO就绪状态的不同方式，决定了其是阻塞或非阻塞模式；在IO执行时，线程或进程是否挂起等待IO执行决定了其是否为同步或异步IO。
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原文链接:https://blog.51cto.com/u_7932852/3668463
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