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关于java:京东数科面试真题常见的-IO-模型有哪些Java-中的-BIONIOAIO-有啥区别

jiezi

本文节选自《Java 面试进阶指北 打造集体的技术竞争力》

面试中常常喜爱问的一个问题，因为通过这个问题，面试官能够顺便理解一下你的操作系统的程度。

IO 模型这块的确挺难了解的，须要太多计算机底层常识。写这篇文章用了挺久，就十分心愿能把我所晓得的讲进去吧! 心愿敌人们能有收货！为了写这篇文章，还翻看了一下《UNIX 网络编程》这本书，太难了，我滴乖乖！心痛~

集体能力无限。如果文章有任何须要补充 / 欠缺 / 批改的中央，欢送在评论区指出，共同进步！

前言

I/O 始终是很多小伙伴难以了解的一个知识点，这篇文章我会将我所了解的 I/O 讲给你听，心愿能够对你有所帮忙。

I/O

何为 I/O?

I/O（Input/Outpu）即 输出/输入。

咱们先从计算机构造的角度来解读一下 I/O。

依据冯. 诺依曼结构，计算机构造分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输出设施、输出设备。

输出设施（比方键盘）和输出设备（比方显示屏）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既能够属于输出设施，也能够属于输出设备。

输出设施向计算机输出数据，输出设备接管计算机输入的数据。

从计算机构造的视角来看的话，I/O 形容了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

咱们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。

依据大学里学到的操作系统相干的常识：为了保障操作系统的稳定性和安全性，一个过程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space）。

像咱们平时运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间能力进行零碎态级别的资源无关的操作，比方如文件治理、过程通信、内存治理等等。也就是说，咱们想要进行 IO 操作，肯定是要依赖内核空间的能力。

并且，用户空间的程序不能间接拜访内核空间。

当想要执行 IO 操作时，因为没有执行这些操作的权限，只能发动零碎调用申请操作系统帮忙实现。

因而，用户过程想要执行 IO 操作的话，必须通过 零碎调用 来间接拜访内核空间

咱们在平时开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络申请和相应）。

从应用程序的视角来看的话，咱们的应用程序对操作系统的内核发动 IO 调用（零碎调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，咱们的应用程序实际上只是发动了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来实现的。

当应用程序发动 I/O 调用后，会经验两个步骤：

  1. 内核期待 I/O 设施筹备好数据
  2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

有哪些常见的 IO 模型?

UNIX 零碎下，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。

这也是咱们常常提到的 5 种 IO 模型。

Java 中 3 种常见 IO 模型

BIO (Blocking I/O)

BIO 属于同步阻塞 IO 模型。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发动 read 调用后，会始终阻塞，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

在客户端连贯数量不高的状况下，是没问题的。然而，当面对十万甚至百万级连贯的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因而，咱们须要一种更高效的 I/O 解决模型来应答更高的并发量。

NIO (Non-blocking/New I/O)

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等形象。NIO 中的 N 能够了解为 Non-blocking，不单纯是 New。它反对面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。对于高负载、高并发的（网络）利用，应应用 NIO。

Java 中的 NIO 能够看作是 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。

跟着我的思路往下看看，置信你会失去答案！

咱们先来看看 同步非阻塞 IO 模型。

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会始终发动 read 调用，期待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程仍然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型的确有了很大改良。通过轮询操作，防止了始终阻塞。

然而，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序一直进行 I/O 零碎调用轮询数据是否曾经筹备好的过程是非常耗费 CPU 资源的。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

IO 多路复用模型中，线程首先发动 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据筹备好了，用户线程再发动 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。

目前反对 IO 多路复用的零碎调用，有 select，epoll 等等。select 零碎调用，是目前简直在所有的操作系统上都有反对

  • select 调用：内核提供的零碎调用，它反对一次查问多个零碎调用的可用状态。简直所有的操作系统都反对。
  • epoll 调用：linux 2.6 内核，属于 select 调用的加强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过缩小有效的零碎调用，缩小了对 CPU 资源的耗费。

Java 中的 NIO，有一个十分重要的 选择器 (Selector) 的概念，也能够被称为 多路复用器。通过它，只须要一个线程便能够治理多个客户端连贯。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

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，也就是利用操作之后会间接返回，不会梗塞在那里，当后盾解决实现，操作系统会告诉相应的线程进行后续的操作。

目前来说 AIO 的利用还不是很宽泛。Netty 之前也尝试应用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 应用了 AIO 之后，在 Linux 零碎上的性能并没有多少晋升。

最初，来一张图，简略总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

参考

  • 《深刻拆解 Tomcat & Jetty》
  • 如何实现一次 IO：https://llc687.top/post/ 如何实现一次 -io/
  • 程序员应该这样了解 IO：https://www.jianshu.com/p/fa7bdc4f3de7
  • 10 分钟看懂，Java NIO 底层原理：https://www.cnblogs.com/crazy…
  • IO 模型知多少 | 实践篇：https://www.cnblogs.com/sheng…
  • 《UNIX 网络编程 卷 1；套接字联网 API》6.2 节 IO 模型

举荐

《JavaGuide 面试突击版》PDF 版本。图解计算机根底 PDF 版。
 

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