Java IO 模型详解：从传统 IO 到异步 IO

在 Java 中，IO（输入/输出）操作是与外部系统（如文件、网络等）进行数据交换的基础。Java 的 IO 机制主要分为两大类：传统的阻塞式 IO（Blocking IO）和非阻塞式 IO（Non-blocking IO），后者通常被称为 NIO（New IO）。本文将深入探讨这两种 IO 模型，以及它们在不同场景下的应用。

1 传统 IO（Blocking IO）

传统的 Java IO 基于字节流和字符流，以阻塞式 IO 操作为主。常用的类包括 FileInputStream、FileOutputStream、InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 等。这些类在读写数据时，会导致执行线程阻塞，直到操作完成。

阻塞式 IO（Blocking IO）：在这种模型中，I/O 操作是阻塞的，即执行 I/O 操作时，线程会被阻塞，直到操作完成。在阻塞 I/O 模型中，每个连接都需要一个线程来处理。因此，对于大量并发连接的场景，阻塞 I/O 模型的性能较差。

2 Java NIO（Non-blocking IO）

Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，采用非阻塞式 IO 操作，允许线程在等待 IO 时执行其他任务。常见的 NIO 类有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。

非阻塞式 IO（Non-blocking IO）：在这种模型中，I/O 操作不会阻塞线程。当数据尚未准备好时，I/O 调用会立即返回。线程可以继续执行其他任务，然后在适当的时候再次尝试执行 I/O 操作。非阻塞 I/O 模型允许单个线程同时处理多个连接，但可能需要在应用程序级别进行复杂的调度和管理。

3 内核空间与用户空间

在讨论 IO 模型时，不可避免地会涉及到内核空间和用户空间的概念。

• 内核空间：操作系统内核的专用内存区域，用于存储内核代码、数据结构和运行内核级别的系统调用。内核空间具有较高的权限级别，能够直接访问硬件资源和底层系统服务。
• 用户空间：为用户级别的应用程序和服务分配的内存区域。它包含了应用程序的代码、数据和运行时堆栈。用户空间与内核空间相对隔离，具有较低的权限级别，不能直接访问内核空间或硬件资源。

内核空间和用户空间的划分有助于操作系统实现内存保护和权限控制，确保系统运行的稳定性和安全性。

4 多路复用、信号驱动、异步 IO

除了阻塞 IO 和非阻塞 IO 模型，还有另外三种 IO 模型，分别是多路复用、信号驱动和异步 IO。

4.1 多路复用（I/O Multiplexing）

I/O 多路复用模型使用操作系统提供的多路复用功能（如 select、poll、epoll 等），使得单个线程可以同时处理多个 I/O 事件。当某个连接上的数据准备好时，操作系统会通知应用程序。这样，应用程序可以在一个线程中处理多个并发连接，而不需要为每个连接创建一个线程。

• select：最早的 I/O 多路复用技术，性能受限，特别是在处理大量文件描述符时。
• poll：对 select 的改进，使用文件描述符数组而不是位掩码，但仍需遍历整个数组。
• epoll：Linux 中的高性能 I/O 多路复用技术，通过在内核中维护事件表来避免遍历文件描述符数组的性能问题。

在 Java NIO 中，I/O 多路复用主要通过 Selector 类实现。Selector 能够监控多个 Channel 上的 I/O 事件，如连接、读取和写入。这使得一个线程可以处理多个并发连接，提高了程序的性能和可伸缩性。

4.2 信号驱动（Signal-driven I/O）

信号驱动 I/O 模型中，应用程序可以向操作系统注册一个信号处理函数，当某个 I/O 事件发生时，操作系统会发送一个信号通知应用程序。应用程序在收到信号后处理相应的 I/O 事件。这种模型与非阻塞 I/O 类似，也需要在应用程序级别进行事件管理和调度。

4.3 异步 I/O（Asynchronous I/O）

异步 I/O 模型与同步 I/O 模型的主要区别在于，异步 I/O 操作会在后台运行，当操作完成时，操作系统会通知应用程序。应用程序不需要等待 I/O 操作的完成，可以继续执行其他任务。这种模型适用于处理大量并发连接，且可以简化应用程序的设计和开发。

• 同步：在执行 I/O 操作时，应用程序需要等待操作的完成。同步操作会导致线程阻塞，直到操作完成。同步 I/O 包括阻塞 I/O、非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。
• 异步：在执行 I/O 操作时，应用程序不需要等待操作的完成。异步操作允许应用程序在 I/O 操作进行时继续执行其他任务。异步 I/O 模型包括信号驱动 I/O 和异步 I/O。

5. 总结

IO 模型主要有五种：阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用、信号驱动和异步 I/O。

• 阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，会一直等待数据传输完成，期间无法执行其他任务。
• 非阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，如果数据未准备好，立即返回错误状态，不等待数据传输完成，可执行其他任务。
• 多路复用：允许一个线程同时管理多个 I/O 连接，适用于高并发、低延迟和高吞吐量场景，减少线程数量和上下文切换开销。
• 信号驱动：依赖信号通知应用程序 I/O 事件，适用于低并发、低延迟和低吞吐量场景，需要为每个 I/O 事件创建信号和信号处理函数。
• 异步 I/O：应用程序发起 I/O 操作后，内核负责数据传输过程，完成后通知应用程序。应用程序无需等待数据传输，可执行其他任务。

理解这些 IO 模型的特点和适用场景，有助于在实际开发中选择合适的 IO 机制，以提高程序的性能和可扩展性。

6 思维导图

7 参考链接

一文彻底理解Java IO模型（阻塞IO非阻塞IO/IO多路复用）

原文地址：https://blog.csdn.net/gaosw0521/article/details/143786537

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