Asyncdb（二）：Java IO 初探

本文由 GodPan 發表在 ScalaCool 團隊博客。

Java IO對大多數Java程序員來講是熟悉又陌生，熟悉的是感受處處都有它的身影，小到簡單的讀取文件，大到各類服務器的應用，陌生的是Java IO背後究竟是一個怎樣的機制，今天就讓咱們去了解一下這位老朋友吧。本文不講解Java IO如何具體使用，有這方面需求的同窗能夠本身查下。

IO 模型

要說IO，就不得不說IO模型，IO模型你們都有所瞭解，同步異步，阻塞非阻塞什麼的，總的來講IO模型可分爲如下五種：

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• 多路複用IO
• 信號驅動IO
• 異步IO

那麼這幾種IO都有什麼區別呢？下面咱們一一來看，每種模型我都會舉一個適當的例子助於理解：

1.阻塞 IO

阻塞IO相信你們都最熟悉了，線程發起一個IO請求，直到有結果返回，不然則一直阻塞等待，好比咱們日常常見的阻塞數據庫操做，網絡IO等。

小明阻塞IO吃飯：

五年前一天週末，小明和朋友一塊兒去商場的外婆家吃飯，到店後發現排隊的人超多，因此他就領了一個號碼，而後他和朋友就坐在旁邊等候，一直等着服務員叫他們的號，也不能作其餘事，過了一個多小時終於輪到他們了，而後他們進店點菜，又得等待上菜，最後他們吃飯總共花了兩個小時；

關鍵部分：

• 等待座位吃飯：一直阻塞，直到有座位
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設菜上齊了再吃）

沒什麼說的，反正就是一直等，反應到程序中就是一直阻塞，而一個IO請求須要一個線程，可想而知當有大量的IO請求，線程的建立和銷燬，線程間的切換，線程所佔用的資源等等要耗費多少時間和資源，系統的性能會有多差。

2.非阻塞 IO

非阻塞IO和阻塞IO的最大區別就在於線程發起一個IO請求,不會一直堵塞直到有數據，而是不斷的檢查是否已有數據，如有數據則讀取數據。

小明非阻塞IO吃飯：

有了第一次的教訓，小明學乖了，他在拿到後再也不傻傻的等着，而是去外婆家旁邊逛了逛，每過3分鐘他就會回來，而後跑到前臺去詢問服務員輪到他了嗎？不幸的是，排隊的人超多，直到過了半個多小時後才輪到他進店吃飯，期間他大概問了十幾回，他們進店點菜，又得等待上菜，最後他們吃飯總共花了兩個小時，基本也沒作啥其餘事；

關鍵部分：

• 領號後詢問是否輪到他：非阻塞，非詢問期間能夠作點別的事,但也不作了啥大事
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設菜上齊了再吃）

總的來講非阻塞IO的非阻塞主要體如今不須要一直等待到有數據，固然讀數據那部分操做仍是阻塞的，另外這種非阻塞模式須要用戶線程本身不斷詢問檢查，其實效率也不是過高，實際編程中運用的也很少。

3.多路複用 IO

既然上面咱們說到非阻塞IO的缺點，那麼有沒有什麼方式改進呢？答案是固然有，那就是多路複用IO，我理解的它的特色就是複用，首先它也是一種非阻塞IO的模型，只不過上面說到輪詢的方式用了不一樣的方式處理了，當一個線程發起IO請求，系統會將它註冊到一個單獨管理IO請求的一個線程，以後該IO的相關操做的通知狀態都有這個管理IO請求的線程處理，Java 1.4發佈的NIO就是這種模式，咱們能夠大體來看一下它的流程：

// 打開服務器套接字通道
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 服務器配置爲非阻塞
ssc.configureBlocking(false);
// 進行服務的綁定
ssc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8008));
// 這裏的selector就至關於單獨管理IO請求的線程
Selector selector = Selector.open();
// 註冊到selector，等待鏈接
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();  //爲IO請求去輪詢狀態
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); //多個IO請求的狀態
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) { //依次處理IO請求
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        doThing(key)
        ...
    }
}
複製代碼

能夠看出Java NIO的模式就是多路複用IO模型的應用。

小明多路複用IO吃飯：

隨着生意愈來愈好，外婆家發現好多顧客都堵在門口等待吃飯，等待區都站不下來人了，，思來想去，外婆家準備請一我的專門來維護顧客的排隊請求，這樣顧客取號後，就不用堵在門口了，咱們叫他小A，小明此次取號後，將本身的相關信息告訴小A，並從小A那裏得到了一個GPS（用於小A能快速找到小明，假設有了GPS後，小A能秒速找到小明），而後小明就跟朋友們開心的去逛商場，看看MM，買買衣服，而小A則不斷的觀察店裏的狀況，當有空座位出現的時候，他便會按照相關信息找到具體的顧客，將其帶回進行用餐，但他們進店點菜，還得等待上菜，最後他們吃飯總共花了兩個小時，可是他們再也不須要排隊等位，而是去作一些其餘的事。

關鍵部分：

• 領號後委託給小A，小A觀察到有空位後帶回小明：非阻塞，領號後能夠安心去作本身的事，不用擔憂錯過
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設菜上齊了再吃）

多路複用IO能夠當作普通非阻塞IO的升級版，也是目前Java編程中用到比較多的IO模型，它的優點在於能夠處理大量的IO請求，用一個線程管理全部的IO請求，無需像阻塞IO和非阻塞IO同樣，每一個IO須要一個線程處理，提高了系統的吞吐量。

4.信號驅動 IO

信號驅動IO相對於以上幾種模型最大的特色就是它支持內核信號通知，線程在發起一個IO請求後，會註冊一個信號函數，而後內核在確認數據可讀了，便會給相應的線程發送通知，讓其進行具體IO讀寫操做。

小明信號驅動IO吃飯：

又了一段時間，外婆家經過使用複用IO模式緩解了排隊擁擠的狀況，可是以爲還要請一我的專門維護隊列，感受不划算，那麼有沒有一種更好的方式呢？通過一天的苦思冥想，外婆家的經理又想出一個好辦法，讓每一個顧客在領完號後，關注一下外婆家的公衆號，而後顧客就能夠去作別的事了，定時或者當排隊信息發生改變時給顧客發送通知，告知他如今的排隊序號或者輪到他吃飯了，顧客能夠根據相應的信息作相應的行爲，好比快輪到了就開始往店裏走（實際程序中並不必定有這種狀態，這裏只是大概模擬），或者輪到本身了而後進店吃飯，他們仍然不用排隊等位，而是去作一些其餘的事。

關鍵部分：

• 領號後關注公衆號，註冊關係：非阻塞，領號後能夠安心去作本身的事，不用擔憂錯過
• 等待上菜：一直阻塞，直到有菜（假設菜上齊了再吃）

就實際來講，信號驅動IO用的並很少，由於信號驅動IO底層是使用SIGIO信號，因此它主要使用在UDP協議上，由於UDP產生SIGIO信號的時候只有兩種可能：

• 1.要麼數據到達
• 2.發生錯誤

但相對TCP來講，產生SIGIO信號的地方太多了，好比請求鏈接，確認，斷開，錯誤等等，因此咱們很難根據SIGIO信號判斷到底發生了什麼。

5.異步 IO

以上四種IO其實都仍是同步IO，由於它們在讀寫數據時都是阻塞的，異步IO相較於它們最大的特色是它讀寫數據的時候也是非阻塞的，用戶線程在發起一個IO請求的時候，除了給內核線程傳遞具體的IO請求外，還會給其傳遞數據緩衝區，回調函數通知等內容，而後用戶線程就繼續執行，等到內核線程發起相應通知的時候，說明數據已經準備就緒，用戶線程直接使用便可，無需再阻塞從內核拷貝數據到用戶線程。

小明異步IO吃飯：

有過了一段時間，小明又想吃外婆家了，可是這個週末他並不想出門，他忽然在網上看到新聞說外婆家居然能夠叫外賣，小明高興壞了，他立刻打電話給外婆家，告訴它本身想要吃哪些菜（至關於IO請求所須要的數據），而後將本身的聯繫號碼（至關於回調通知）和住址（至關於數據緩衝區）也告訴它，而後就掛掉電話，開心的作去打遊戲了，過了半個小時後，手機響起，告知外賣已經到了，小明開門取外賣就能夠直接開吃了。整個過程小明直到吃飯都沒有等待阻塞。

關鍵部分：

• 叫外賣並提供相應的信息：非阻塞，打完電話後作本身的事
• 通知外賣到了：直接開門取外賣直接開吃，非阻塞

咱們能夠看出，異步IO纔是真正的異步，由於它連數據拷貝這個過程都是非阻塞的，用戶線程根本不用關心數據的讀寫等操做，只需等待內核線程通知後，直接處理數據便可，固然異步IO須要系統內核支持，好比Linux中的AIO和Windows中的IOCP，可是也能夠經過多線程跟阻塞I/O模擬異步IO，好比能夠在多路複用IO模型上進行相應的改變，另外也有現有的實現，好比異步I/O的庫：libeio

最後用一張圖整體歸納一下Java IO（圖片來自美團技術博客）：

Java IO概圖：

多路複用 IO 在 Linux 中的實現

由於後續會講到Java NIO，因此咱們須要瞭解操做系統是如何支持多路複用IO的，Linux中支持支持三種多路IO複用機制，分別是select、poll和epoll，原本這裏我想本身寫的，但查閱了相應的一些資料後，發現本身的水平仍是不夠，這裏我不許備班門弄斧了，由於我找到了不少寫的比較好的文章，這裏就給你們列一下，僅供參考：

• Linux系統編程——I/O多路複用select、poll、epoll的區別使用
• 聊聊IO多路複用之select、poll、epoll詳解
• IO 多路複用是什麼意思？

總結

這篇文章主要講了最基礎的IO模型，不過我認爲最基礎的每每是最重要的，只有理解了基礎的原理，才能對基於它們實現的類庫或者工具備更加深入的認識，下一篇文章將會主要講一下基於多路複用IO的Java NIO，敬請期待。