Asyncdb（二）：Java IO 初探

本文由 GodPan 发表在 ScalaCool 团队博客。

Java IO对大多数Java程序员来讲是熟悉又陌生，熟悉的是感受处处都有它的身影，小到简单的读取文件，大到各类服务器的应用，陌生的是Java IO背后究竟是一个怎样的机制，今天就让咱们去了解一下这位老朋友吧。本文不讲解Java IO如何具体使用，有这方面需求的同窗能够本身查下。

IO 模型

要说IO，就不得不说IO模型，IO模型你们都有所了解，同步异步，阻塞非阻塞什么的，总的来讲IO模型可分为如下五种：

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• 多路复用IO
• 信号驱动IO
• 异步IO

那么这几种IO都有什么区别呢？下面咱们一一来看，每种模型我都会举一个适当的例子助于理解：

1.阻塞 IO

阻塞IO相信你们都最熟悉了，线程发起一个IO请求，直到有结果返回，不然则一直阻塞等待，好比咱们日常常见的阻塞数据库操做，网络IO等。

小明阻塞IO吃饭：

五年前一天周末，小明和朋友一块儿去商场的外婆家吃饭，到店后发现排队的人超多，因此他就领了一个号码，而后他和朋友就坐在旁边等候，一直等着服务员叫他们的号，也不能作其余事，过了一个多小时终于轮到他们了，而后他们进店点菜，又得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时；

关键部分：

• 等待座位吃饭：一直阻塞，直到有座位
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

没什么说的，反正就是一直等，反应到程序中就是一直阻塞，而一个IO请求须要一个线程，可想而知当有大量的IO请求，线程的建立和销毁，线程间的切换，线程所占用的资源等等要耗费多少时间和资源，系统的性能会有多差。

2.非阻塞 IO

非阻塞IO和阻塞IO的最大区别就在于线程发起一个IO请求,不会一直堵塞直到有数据，而是不断的检查是否已有数据，如有数据则读取数据。

小明非阻塞IO吃饭：

有了第一次的教训，小明学乖了，他在拿到后再也不傻傻的等着，而是去外婆家旁边逛了逛，每过3分钟他就会回来，而后跑到前台去询问服务员轮到他了吗？不幸的是，排队的人超多，直到过了半个多小时后才轮到他进店吃饭，期间他大概问了十几回，他们进店点菜，又得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时，基本也没作啥其余事；

关键部分：

• 领号后询问是否轮到他：非阻塞，非询问期间能够作点别的事,但也不作了啥大事
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

总的来讲非阻塞IO的非阻塞主要体如今不须要一直等待到有数据，固然读数据那部分操做仍是阻塞的，另外这种非阻塞模式须要用户线程本身不断询问检查，其实效率也不是过高，实际编程中运用的也很少。

3.多路复用 IO

既然上面咱们说到非阻塞IO的缺点，那么有没有什么方式改进呢？答案是固然有，那就是多路复用IO，我理解的它的特色就是复用，首先它也是一种非阻塞IO的模型，只不过上面说到轮询的方式用了不一样的方式处理了，当一个线程发起IO请求，系统会将它注册到一个单独管理IO请求的一个线程，以后该IO的相关操做的通知状态都有这个管理IO请求的线程处理，Java 1.4发布的NIO就是这种模式，咱们能够大体来看一下它的流程：

// 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服务器配置为非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 进行服务的绑定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8008));
// 这里的selector就至关于单独管理IO请求的线程
Selector selector = Selector.open();
// 注册到selector，等待链接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();  //为IO请求去轮询状态
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); //多个IO请求的状态
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) { //依次处理IO请求
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        doThing(key)
        ...
    }
}
复制代码

能够看出Java NIO的模式就是多路复用IO模型的应用。

小明多路复用IO吃饭：

随着生意愈来愈好，外婆家发现好多顾客都堵在门口等待吃饭，等待区都站不下来人了，，思来想去，外婆家准备请一我的专门来维护顾客的排队请求，这样顾客取号后，就不用堵在门口了，咱们叫他小A，小明此次取号后，将本身的相关信息告诉小A，并从小A那里得到了一个GPS（用于小A能快速找到小明，假设有了GPS后，小A能秒速找到小明），而后小明就跟朋友们开心的去逛商场，看看MM，买买衣服，而小A则不断的观察店里的状况，当有空座位出现的时候，他便会按照相关信息找到具体的顾客，将其带回进行用餐，但他们进店点菜，还得等待上菜，最后他们吃饭总共花了两个小时，可是他们再也不须要排队等位，而是去作一些其余的事。

关键部分：

• 领号后委托给小A，小A观察到有空位后带回小明：非阻塞，领号后能够安心去作本身的事，不用担忧错过
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

多路复用IO能够当作普通非阻塞IO的升级版，也是目前Java编程中用到比较多的IO模型，它的优点在于能够处理大量的IO请求，用一个线程管理全部的IO请求，无需像阻塞IO和非阻塞IO同样，每一个IO须要一个线程处理，提高了系统的吞吐量。

4.信号驱动 IO

信号驱动IO相对于以上几种模型最大的特色就是它支持内核信号通知，线程在发起一个IO请求后，会注册一个信号函数，而后内核在确认数据可读了，便会给相应的线程发送通知，让其进行具体IO读写操做。

小明信号驱动IO吃饭：

又了一段时间，外婆家经过使用复用IO模式缓解了排队拥挤的状况，可是以为还要请一我的专门维护队列，感受不划算，那么有没有一种更好的方式呢？通过一天的苦思冥想，外婆家的经理又想出一个好办法，让每一个顾客在领完号后，关注一下外婆家的公众号，而后顾客就能够去作别的事了，定时或者当排队信息发生改变时给顾客发送通知，告知他如今的排队序号或者轮到他吃饭了，顾客能够根据相应的信息作相应的行为，好比快轮到了就开始往店里走（实际程序中并不必定有这种状态，这里只是大概模拟），或者轮到本身了而后进店吃饭，他们仍然不用排队等位，而是去作一些其余的事。

关键部分：

• 领号后关注公众号，注册关系：非阻塞，领号后能够安心去作本身的事，不用担忧错过
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假设菜上齐了再吃）

就实际来讲，信号驱动IO用的并很少，由于信号驱动IO底层是使用SIGIO信号，因此它主要使用在UDP协议上，由于UDP产生SIGIO信号的时候只有两种可能：

• 1.要么数据到达
• 2.发生错误

但相对TCP来讲，产生SIGIO信号的地方太多了，好比请求链接，确认，断开，错误等等，因此咱们很难根据SIGIO信号判断到底发生了什么。

5.异步 IO

以上四种IO其实都仍是同步IO，由于它们在读写数据时都是阻塞的，异步IO相较于它们最大的特色是它读写数据的时候也是非阻塞的，用户线程在发起一个IO请求的时候，除了给内核线程传递具体的IO请求外，还会给其传递数据缓冲区，回调函数通知等内容，而后用户线程就继续执行，等到内核线程发起相应通知的时候，说明数据已经准备就绪，用户线程直接使用便可，无需再阻塞从内核拷贝数据到用户线程。

小明异步IO吃饭：

有过了一段时间，小明又想吃外婆家了，可是这个周末他并不想出门，他忽然在网上看到新闻说外婆家居然能够叫外卖，小明高兴坏了，他立刻打电话给外婆家，告诉它本身想要吃哪些菜（至关于IO请求所须要的数据），而后将本身的联系号码（至关于回调通知）和住址（至关于数据缓冲区）也告诉它，而后就挂掉电话，开心的作去打游戏了，过了半个小时后，手机响起，告知外卖已经到了，小明开门取外卖就能够直接开吃了。整个过程小明直到吃饭都没有等待阻塞。

关键部分：

• 叫外卖并提供相应的信息：非阻塞，打完电话后作本身的事
• 通知外卖到了：直接开门取外卖直接开吃，非阻塞

咱们能够看出，异步IO才是真正的异步，由于它连数据拷贝这个过程都是非阻塞的，用户线程根本不用关心数据的读写等操做，只需等待内核线程通知后，直接处理数据便可，固然异步IO须要系统内核支持，好比Linux中的AIO和Windows中的IOCP，可是也能够经过多线程跟阻塞I/O模拟异步IO，好比能够在多路复用IO模型上进行相应的改变，另外也有现有的实现，好比异步I/O的库：libeio

最后用一张图整体归纳一下Java IO（图片来自美团技术博客）：

Java IO概图：

多路复用 IO 在 Linux 中的实现

由于后续会讲到Java NIO，因此咱们须要了解操做系统是如何支持多路复用IO的，Linux中支持支持三种多路IO复用机制，分别是select、poll和epoll，原本这里我想本身写的，但查阅了相应的一些资料后，发现本身的水平仍是不够，这里我不许备班门弄斧了，由于我找到了不少写的比较好的文章，这里就给你们列一下，仅供参考：

• Linux系统编程——I/O多路复用select、poll、epoll的区别使用
• 聊聊IO多路复用之select、poll、epoll详解
• IO 多路复用是什么意思？

总结

这篇文章主要讲了最基础的IO模型，不过我认为最基础的每每是最重要的，只有理解了基础的原理，才能对基于它们实现的类库或者工具备更加深入的认识，下一篇文章将会主要讲一下基于多路复用IO的Java NIO，敬请期待。