### 引言

> I/O 一直是很多Java同學難以理解的一個知識點，這篇文章將會從底層原理上帶你理解I/O，讓你看清I/O相關問題的本質。

# 1. I/O 的概念

I/O 的全稱是Input/Output。雖常談及I/O，但想必你也一時不能給出一個完整的定義。搜尋了谷歌，發現也盡是些冗長的論述。要想釐清I/O這個概念，我們需要從不同的視角去理解它。

## 1.1. 從計算機結構

根據馮.諾依曼結構，計算機結構分為 5 大部分：運算器、控制器、儲存器、輸入裝置、輸出裝置。其中輸入是指將資料輸入到計算機的裝置，比如鍵盤滑鼠；輸出是指從計算機中獲取資料的裝置，比如顯示器；以及既是輸入又是輸出裝置，硬碟，網路卡等。

![image-20210822224409193.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/08/22/RHyqX97GSLxvePuZDAHyWAjI5Gd13AtSNYtC4luE_thumb.png "2890")

使用者透過作業系統才能完成對計算機的操作。計算機啟動時，第一個啟動的程式是作業系統的核心，它將負責計算機的資源管理和程式的排程。換句話說：作業系統負責從輸入裝置讀取資料並將資料寫入到輸出裝置。

## 1.2. 從程式應用

根據大學裡學到的作業系統相關的知識：為了保證作業系統的穩定性和安全性，一個程式的地址空間劃分為 **使用者空間（User space）** 和 **核心空間（Kernel space ）** 。

應用程式作為一個檔案儲存在磁碟中，只有載入到記憶體到成為一個程式才能執行。應用程式執行在計算機記憶體中，必然會涉及到資料交換，比如讀寫磁碟檔案，訪問資料庫，呼叫遠端API等等。但我們編寫的程式並不能像作業系統核心一樣直接進行I/O操作。

**從應用程式的視角來看的話，我們的應用程式對作業系統的核心發起 IO 呼叫（系統呼叫），作業系統負責的核心執行具體的 IO 操作。也就是說，我們的應用程式實際上只是發起了 IO 操作的呼叫而已，具體 IO 的執行是由作業系統的核心來完成的。**

但作業系統向外提供API，其由各種型別的系統呼叫（System Call）組成，以提供安全的訪問控制。
所以應用程式要想訪問核心管理的I/O，必須透過呼叫核心提供的系統呼叫(system call）進行間接訪問。

所以I/O之於應用程式來說，強調的透過**向核心發起系統呼叫完成對I/O的間接訪問**。換句話說應用程式發起的一次IO操作實際包含兩個階段：

1. IO呼叫階段：應用程式程式向核心發起系統呼叫
2. IO執行階段：核心執行IO操作並返回
   2.1. 準備資料階段：核心等待I/O裝置準備好資料
   2.2. 複製資料階段：將資料從核心緩衝區複製到使用者空間緩衝區

UNIX 系統下， IO 模型一共有 5 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**。

# 3. BIO (Blocking I/O)

應用程式中程式在發起IO呼叫後至核心執行IO操作返回結果之前，若發起系統呼叫的執行緒一直處於等待狀態，則此次IO操作為阻塞IO。阻塞IO簡稱BIO，Blocking IO。其處理流程如下圖所示：

![image-20210822224856685.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/08/22/Kt5jSR900ongChH1UIBMv5fJVfZ7n7bQ8Xoi2blZ_thumb.png "2891")

從上圖可知當使用者程式發起IO系統呼叫後，核心從準備資料到複製資料到使用者空間的兩個階段期間**使用者呼叫執行緒選擇阻塞等待**資料返回。

因此BIO帶來了一個問題：如果核心資料需要耗時很久才能準備好，那麼使用者程式將被阻塞，浪費效能。為了提升應用的效能，雖然可以透過多執行緒來提升效能，但執行緒的建立依然會藉助系統呼叫，同時多執行緒會導致頻繁的執行緒上下文的切換，同樣會影響效能。所以要想解決BIO帶來的問題，我們就得看到問題的本質，那就是**阻塞**二字。

# 4. NIO (Non-blocking/New I/O)

那解決方案自然也容易想到，將阻塞變為非阻塞，那就是使用者程式在發起系統呼叫時指定為非阻塞，核心接收到請求後，就會立即返回，然後使用者程式透過輪詢的方式來拉取處理結果。也就是如下圖所示：

![image-20210822225019822.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/08/22/SKhM16um5r7WcNvnx6O3HmvCnFFm6jIHwvsKtGRW_thumb.png "2892")

應用程式中程式在發起IO呼叫後至核心執行IO操作返回結果之前，若發起系統呼叫的執行緒不會等待而是立即返回，則此次IO操作為非阻塞IO模型。非阻塞IO簡稱NIO，Non-Blocking IO。

然而，非阻塞IO雖然相對於阻塞IO大幅提升了效能，但依舊不是完美的解決方案，其依然存在效能問題，也就是頻繁的輪詢導致頻繁的系統呼叫，會耗費大量的CPU資源。比如當併發很高時，假設有1000個併發，那麼單位時間迴圈內將會有1000次系統呼叫去輪詢執行結果，而實際上可能只有2個請求結果執行完畢，這就會有998次無效的系統呼叫，造成嚴重的效能浪費。有問題就要解決，那**NIO問題的本質就是頻繁輪詢導致的無效系統呼叫**。

# 5. IO模型之IO多路複用

解決NIO的思路就是降解無效的系統呼叫，如何降解呢？我們一起來看看以下幾種IO多路複用的解決思路。

![image-20210822225332106.png](https://developer.hs.net/storage/attachments/2021/08/22/cbB5jj0Xbpr7aKfGojHMtoRgRtazEluOrm2jsGuf_thumb.png "2893")

O 多路複用模型中，執行緒首先發起 select 呼叫，詢問核心資料是否準備就緒，等核心把資料準備好了，使用者執行緒再發起 read 呼叫。read 呼叫的過程（資料從核心空間->使用者空間）還是阻塞的。

> 目前支援 IO 多路複用的系統呼叫，有 select，epoll 等等。select 系統呼叫，是目前幾乎在所有的作業系統上都有支援
>
> * **select 呼叫** ：核心提供的系統呼叫，它支援一次查詢多個系統呼叫的可用狀態。幾乎所有的作業系統都支援。
> * **epoll 呼叫** ：linux 2.6 核心，屬於 select 呼叫的增強版本，最佳化了 IO 的執行效率。

# 7. AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改進版 NIO 2,它是非同步 IO 模型。

非同步 IO 是基於事件和回撥機制實現的，也就是應用操作之後會直接返回，不會堵塞在那裡，當後臺處理完成，作業系統會通知相應的執行緒進行後續的操作。

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目前來說 AIO 的應用還不是很廣泛。Netty 之前也嘗試使用過 AIO，不過又放棄了。這是因為，Netty 使用了 AIO 之後，在 Linux 系統上的效能並沒有多少提升。

# 8. 總結

I/O 其關鍵點是要將應用程式的IO操作分為兩個步驟來理解：IO呼叫和IO執行。IO呼叫才是應用程式乾的事情，而IO執行是作業系統的工作。在IO呼叫時，對待作業系統IO就緒狀態的不同方式，決定了其是阻塞或非阻塞模式；在IO執行時，執行緒或程式是否掛起等待IO執行決定了其是否為同步或非同步IO。

JAVA進階之IO模型深入解析

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