今天我們來聊Java IO模型，BIO、NIO、AIO三種常見IO模型

JavaBuild發表於2024-07-15

一、寫在開頭

很久沒更新嘍，最近build哥一直在忙著工作，忙著寫小說，都忘記學習自己的本職了，哈哈，不過現在正式迴歸！
我們繼續學習Java的IO相關內容，之前我們瞭解到，所謂的IO（Input/Output）就是計算機系統與外部裝置之間通訊的過程。

二、IO呼叫過程

接下來我們從應用呼叫的過程中來分析一下整個IO的執行過程。不過在此之前，我們需要簡單的瞭解一下整個作業系統的空間佈局。為了保證作業系統的穩定性和安全性，一個程序的地址空間劃分為使用者空間（User space）和核心空間（Kernel space ）。

核心空間： 是作業系統核心所使用的空間，用來儲存底層核心程式碼、資料結構以及核心級別的系統呼叫。核心空間擁有比較高的許可權，比如檔案管理、程序通訊、記憶體管理等等。
使用者空間： 使用者級別的應用程式和服務分配的記憶體區域。它包含了應用程式的程式碼、資料和執行時堆疊。使用者空間與核心空間相對隔離，具有較低的許可權級別，不能直接訪問核心空間或硬體資源。

所以說，我們想要進行 IO 操作，一定是要依賴核心空間的能力。平常開發過程中接觸最多的就是磁碟 IO（讀寫檔案）和網路 IO（網路請求和響應）。

執行步驟：

應用程式發起IO請求；
系統核心接受到系統呼叫請求；
核心等待資料準備；
核心將資料從核心空間複製到使用者空間；
IO輸出給應用程式。

三、IO常用模型

在UNIX系統中，我們所提到的IO模型一般是這四種：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路複用、訊號驅動 I/O 和非同步 I/O。

不過，在日常使用中，我們常用的多為 BIO(Blocking I/O)：同步阻塞 IO 模型、NIO (Non-blocking/New I/O)：同步非阻塞 IO 模型、AIO (Asynchronous I/O)：非同步 IO 模型。

3.1 BIO (Blocking I/O)

在傳統的IO中，多以這種同步阻塞的IO模型為主，這種模型下，程式發起IO請求後，處理執行緒處於阻塞狀態，直到請求的IO資料從核心空間複製到使用者空間。如下圖可以直觀的體現整個流程（圖源：沉默王二）。

如果發起IO的應用程式併發量不高的情況下，這種模型是沒問題的。但很明顯，當前的網際網路中，很多應用都有高併發IO請求的情況，這時就迫切的需要一款高效的IO模型啦。

3.2 NIO (Non-blocking/New I/O)

這種NIO模型，這個N既可以命名為NEW代表一種新型的IO模型，又可以理解為Non-Blocking，非阻塞之意。

Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基於通道（Channel）和緩衝區（Buffer）進行操作，採用非阻塞式 IO 操作，允許執行緒在等待 IO 時執行其他任務。常見的 NIO 類有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。（圖源：深入拆解Tomcat & Jetty）

雖然在應用發起IO請求時，之多多次發起，無須阻塞。但在核心將資料複製到使用者空間時，還是會阻塞的，為了保證資料的準確性和系統的安全穩定。

3.3 I/O 多路複用模型

在同步非阻塞IO模型下，需要透過不斷的輪詢去檢查請求資料是否已經完成，這個過程是很耗CPU的。因此，便又誕生了I/O多路複用模型。

I/O 多路複用模型：使用作業系統提供的多路複用功能（如 select、poll、epoll 等），使得單個執行緒可以同時處理多個 I/O 事件。當某個連線上的資料準備好時，作業系統會通知應用程式。這樣，應用程式可以在一個執行緒中處理多個併發連線，而不需要為每個連線建立一個執行緒。（圖源：沉默王二）