Java IO模型
# 什么是IO?
冯诺伊曼提出的计算机体系结构由输入和输出、以及运算器、控制器、存储器构成。
实际上IO就是计算机与外部设备数据交互的过程。为了保证操作系统的稳定性和安全性，操作系统会将空间分为用户空间和内核空间。 我们平常所运行的程序都处于用户态，当我们需要进行文件管理、进程通信、内存管理，都需要从用户态转为内核态执行才能执行这些特权指令。并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间
所以我们应用程序执行IO时，会进行以下步骤:
- 应用程序发起
IO请求，这个特权指令会从用户态转到内核执行。 - 内核等待
IO准备好数据。 - 内核
IO数据准备完毕，将数据从内核空间拷贝用户空间。
# 深入内核理解网络数据包IO过程
# 网络数据包接收过程
如下图所示，自底向上，首先收到一个网络包后首先会到达网卡，然后通过DMA(直接存储器访问)环形缓冲区。完成数据拷贝之后，发起一次硬中断通知CPU有网络数据来了。然后CPU将这个数据拷贝到sk_buffer，再发起一次软中断将数据向上传输。注意，若有多个CPU则哪个CPU发起硬中断，则就是哪个CPU发起软中断。然后就是不断解数据包头的过程，数据会不断解包，以下图为例，我们得知最终的报文是一个TCP数据包，我们就会根据socket四元组将数据拷贝到socket缓冲区，反之返回一个目的不可达的icmp包。 最后数据从socket缓冲区拷贝到用户数据区read返回。
性能开销大在这几处:
DMA拷贝到内存的开销。- 硬中断的开销。
- 软中断的开销。
- 网络数据从内核空间拷贝到用户空间的开销。
- 整个调用过程从用户态转内核态再从内核态转为内核态的过程。
# 网络数据包发送过程
发送过程和接收过程类似，整体如下：
- 应用程序发起
send请求，将数据从用户空间拷贝到内核空间。 - 封装成
struct msghdr对象加入socket队列中 - 需要发送时进行封装处理。
- 然后经过软中断、硬中断到达硬件层发送出去
# Java中常见的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，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间
在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。
# NIO(Non-blocking/New I/O)
Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型，很多人它属于同步非阻塞模型，其实不对，如下说明两者区别
# 同步非阻塞IO模型
同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，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 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。
# I/O 多路复用模型
IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 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。
IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。
Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。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，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。
# 总结
