一、 IO读写的根底原理：read、write

1、编程模型一致性以及底层零碎调用的了解(缓冲区与间接调用)：

1.1、无论是Socket的读写还是文件的读写，在Java层面的利用开发或者是linux零碎底层开发，都属于输出input和输入output的解决，简称为IO读写。在原理上和解决流程上，都是统一的。区别在于参数的不同。

1.2、用户程序进行IO的读写，基本上会用到read&write两大零碎调用。可能不同操作系统，名称不齐全一样，然而性能是一样的。

1.3、read零碎调用，并不是把数据间接从物理设施，读数据到内存。write零碎调用，也不是间接把数据，写入到物理设施。

1.4、read零碎调用，是把数据从内核缓冲区复制到过程缓冲区；而write零碎调用，是把数据从过程缓冲区复制到内核缓冲区。这个两个零碎调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的替换。底层的读写替换，是由操作系统kernel内核实现.。

2.了解内核缓冲区和过程缓冲区：（为什么要有缓冲区？缩小IO中断）

1.为什么要有缓冲去？&读写调用的实质(缩小中断，仅将数据在两个缓冲区进行复制,和设施的交互则由内核决定)

缓冲区的目标，是为了缩小频繁的零碎IO调用。大家都晓得，零碎调用须要保留之前的过程数据和状态等信息，而完结调用之后回来还须要复原之前的信息，为了缩小这种损耗工夫、也损耗性能的零碎调用，于是呈现了缓冲区。

有了缓冲区，操作系统应用read函数把数据从内核缓冲区复制到过程缓冲区，write把数据从过程缓冲区复制到内核缓冲区中。期待缓冲区达到肯定数量的时候，再进行IO的调用，晋升性能。至于什么时候读取和存储则由内核来决定，用户程序不须要关怀。

在linux零碎中，零碎内核也有个缓冲区叫做内核缓冲区。每个过程有本人独立的缓冲区，叫做过程缓冲区。所以，用户程序的IO读写程序，大多数状况下，并没有进行理论的IO操作，而是在读写本人的过程缓冲区。

2.为什么要辨别内核空间以及用户空间？(用户过程无奈间接调用系统资源，只能通过操作系统来拜访)

1.内核态和用户态（kernel mode和user mode），在内核态能够拜访系统资源，比方：

1.处理器cpu：cpu管制着一个程序的执行。

2.输入输出IO：linux有句话叫“一切都是流”，也就是所有输入输出设施的数据，包含硬盘，内存，终端都能够像流一样操作。

3.过程治理：相似对过程的创立，休眠，唤醒，开释之类的调度。比方linux下的fork和windows下的CreateProcess()函数。

4.内存：包含内存的申请，开释等治理操作。

5.设施：这个就是经常说的外设了，比方鼠标，键盘。

6.计时器：计算机能计时是因为晶体振荡器产生的电磁脉冲。那么所有的定时工作都是以它为根底的。

7.过程间通信IPC：过程之间是不可能相互拜访内存的，所以过程与过程之间的交互须要通信，而通信也是一种资源。

8.网络通信：网络通信能够看做是过程见通信的非凡模式。

而下面所说的这些系统资源，在用户过程中是无奈被间接拜访的，只能通过操作系统来拜访，所以也把操作系统提供的这些性能成为:“零碎调用”。

首先看看一个典型Java 服务端解决网络申请的典型过程：

（1）客户端申请

Linux通过网卡，读取客户断的申请数据，将数据读取到内核缓冲区。

（2）获取申请数据

服务器从内核缓冲区读取数据到Java过程缓冲区。

（1）服务器端业务解决

Java服务端在本人的用户空间中，解决客户端的申请。

（2）服务器端返回数据

Java服务端已构建好的响应，从用户缓冲区写入零碎缓冲区。

（3）发送给客户端

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二、Linux五种IO模型

（1）阻塞IO（Blocking IO）：用户空间始终期待。

首先，解释一下这里的阻塞与非阻塞：

阻塞IO，指的是须要内核IO操作彻底实现后，才返回到用户空间，执行用户的操作。阻塞指的是用户空间程序的执行状态，用户空间程序需等到IO操作彻底实现。传统的IO模型都是同步阻塞IO。在java中，默认创立的socket都是阻塞的。

其次，解释一下同步与异步：

同步IO，是一种用户空间与内核空间的调用发动形式。同步IO是指用户空间线程是被动发动IO申请的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则反过来，是指内核kernel是被动发动IO申请的一方，用户线程是被动接受方。

举个例子，发动一个blocking socket的read读操作系统调用，流程大略是这样：

1.当用户线程调用了read零碎调用，内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：筹备数据。很多时候，数据在一开始还没有达到（比方，还没有收到一个残缺的Socket数据包），这个时候kernel就要期待足够的数据到来。

2.当kernel始终等到数据筹备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），而后kernel返回后果。

从开始IO读的read零碎调用开始，用户线程就进入阻塞状态。始终到kernel返回后果后，用户线程才解除block的状态，从新运行起来。

所以，blocking IO的特点就是在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被block了。

BIO的长处：

1.程序简略，在阻塞期待数据期间，用户线程挂起。用户线程根本不会占用 CPU 资源。

BIO的毛病：

2.个别状况下，会为每个连贯配套一条独立的线程，或者说一条线程保护一个连贯胜利的IO流的读写。在并发量小的状况下，这个 没有什么问题。然而，当在高并发的场景下，须要大量的线程来保护大量的网络连接，内存、线程切换开销会十分微小。因而，基本上，BIO模型在高并发场景下是不可用的。

（2）非阻塞IO（Non-blocking IO）：用户空间轮训遍历内核空间，很少用。

非阻塞IO，指的是用户程序不须要期待内核IO操作实现后，内核立刻返回给用户一个状态值，用户空间无需等到内核的IO操作彻底实现，能够立刻返回用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。

简略的说：阻塞是指用户空间（调用线程）始终在期待，而且别的事件什么都不做；非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到状态就返回，IO操作能够干就干，不能够干，就去干的事件。

非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。

NIO的特点：

应用程序的线程须要一直的进行 I/O 零碎调用，轮询数据是否曾经筹备好，如果没有筹备好，持续轮询，直到实现零碎调用为止。

NIO的长处：每次发动的 IO 零碎调用，在内核的期待数据过程中能够立刻返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

NIO的毛病：须要一直的反复发动IO零碎调用，这种一直的轮询，将会一直地询问内核，这将占用大量的 CPU 工夫，系统资源利用率较低。

总之，NIO模型在高并发场景下，也是不可用的。个别 Web 服务器不应用这种 IO 模型。个别很少间接应用这种模型，而是在其余IO模型中应用非阻塞IO这一个性。java的理论开发中，也不会波及这种IO模型。

1.与java nio 的区别：

再次阐明，Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一种模型，叫做IO多路复用模型（ IO multiplexing ）。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）

即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。linux提供了poll/select零碎调用，过程通过将一个或多个fd(文件描述符)传递给poll/select零碎调用，阻塞在select操作上，这样poll/select能够帮咱们监听多个fd是否处于就绪状态，poll/select程序扫描fd是否就绪，而且反对的fd数量无限，因而它的应用受到了限度。linux还提供了epoll零碎调用，epoll应用了基于事件驱动的形式代替程序扫描，因而性能更高，当有fd就绪时，立刻回到哈数rooback。

在这种模式中，首先不是进行read零碎调动，而是进行select/epoll零碎调用。当然，这里有一个前提，须要将指标网络连接，提前注册到select/epoll的可查问socket列表中。而后，才能够开启整个的IO多路复用模型的读流程。

1.进行select/epoll零碎调用，查问能够读的连贯。kernel会查问所有select的可查问socket列表，当任何一个socket中的数据筹备好了，select就会返回。当用户过程调用了select，那么整个线程会被block（阻塞掉）。

2.用户线程取得了指标连贯后，发动read零碎调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），而后kernel返回后果。

3.用户线程才解除block的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

多路复用IO的特点：

IO多路复用模型，建设在操作系统kernel内核可能提供的多路拆散零碎调用select/epoll根底之上的。多路复用IO须要用到两个零碎调用（system call）， 一个select/epoll查问调用，一个是IO的读取调用。

和NIO模型类似，多路复用IO须要轮询。负责select/epoll查问调用的线程，须要一直的进行select/epoll轮询，查找出能够进行IO操作的连贯。

另外，多路复用IO模型与后面的NIO模型，是有关系的。对于每一个能够查问的socket，个别都设置成为non-blocking模型。只是这一点，对于用户程序是通明的（不感知）。

多路复用IO的长处：

用select/epoll的劣势在于，它能够同时解决成千上万个连贯（connection）。与一条线程保护一个连贯相比，I/O多路复用技术的最大劣势是：零碎不用创立线程，也不用保护这些线程，从而大大减小了零碎的开销。

Java的NIO（new IO）技术，应用的就是IO多路复用模型。在linux零碎上，应用的是epoll零碎调用。

（4）信号驱动IO模型

利用过程应用 sigaction 零碎调用，内核立刻返回，利用过程能够继续执行，也就是说期待数据阶段利用过程是非阻塞的。内核在数据达到时向利用过程发送 SIGIO 信号，利用过程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到利用过程中。信号驱动 I/O 的 CPU 利用率很高.

（5）异步IO（Asynchronous IO）

异步IO，指的是用户空间与内核空间的调用形式反过来。用户空间线程是变成被动承受的，内核空间是被动调用者。

这一点，有点相似于Java中比拟典型的模式是回调模式，用户空间线程向内核空间注册各种IO事件的回调函数，由内核去被动调用。

1.当用户线程调用了read零碎调用，立即就能够开始去做其它的事，用户线程不阻塞。

2.内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：筹备数据。当kernel始终等到数据筹备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

3.kernel会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，通知用户线程read操作实现了。

4.用户线程读取用户缓冲区的数据，实现后续的业务操作。

异步IO模型的特点：

在内核kernel的期待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞)的。用户线程须要承受kernel的IO操作实现的事件，或者说注册IO操作实现的回调函数，到操作系统的内核。所以说，异步IO有的时候，也叫做信号驱动 IO 。

异步IO模型毛病：

须要实现事件的注册与传递，这里边须要底层操作系统提供大量的反对，去做大量的工作。

三、JAVA体系的IO模型

1、 BIO解说(对应linux中的阻塞IO)

2、 NIO解说(对应linux中的IO多路复用)

3、AIO解说(对应linux中的异步IO)

四、IO模型影响的参数：(ulimit 默认1024)

1.句柄限度：

文件句柄:文件(一般文件、目录文件、链接文件、设施文件(socket))描述符是内核为了高效治理已被关上文件所创立的索引，非负整数。指代被关上的文件，所有的IO零碎调用，包含SOCKET的读写调用，都是通过文件描述符。

ulimit： 单个过程关上的最大文件句柄数。

报错：Cant open many files。