图解 IO 模型

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1 应用程序如何读取数据?

JVM上运行的JAVA程序无法从硬盘、网卡中直接读取数据。是通过内核来访问磁盘、网卡等硬件的。
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2 IO模型

2.1 阻塞

阻塞:应用程序从内核读取数据,会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取,而读取又分为两个阶段,分别为

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2.2 非阻塞

非阻塞:应用程序调用内核获取数据,如果内核没有读取到数据,那么直接返回。这时,应用程序可以干其它事。当内核等到数据,java应用程序通过轮询机制读取内核的数据。

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###伪代码

//轮询机制
while(true){
	//读取数据
	readData();
	//干其它事
	doOtherThings();
}

2.3 同步

同步是指java应用程序主动获取获取(阻塞、非阻塞都是同步)。

2.4 异步

异步是指内核主动将数据交给java应用程序的。

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2.5 例子

1 同步阻塞
把衣服放在洗衣机里面洗,然后等待洗衣机把衣服洗完。

2 同步非阻塞
把衣服放在洗衣机里面洗,可以去看电视 玩电脑,定时的去看衣服是否洗完。

3 异步阻塞
把衣服放在洗衣机里面,等待洗衣机把衣服洗完,洗衣机把衣服洗完会响起音乐,告知你洗完了。

4 异步非阻塞
把衣服放在洗衣机里面,去客厅干别的事情,洗衣机洗完了会响起音乐通知你洗完了。

3 零拷贝

3.1 传统IO问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出,内部工作流程是这样的:
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  1. java 本身并不具备 IO 读写能力,因此 read 方法调用后,要从 java 程序的用户态切换至内核态,去调用操作系统(Kernel)的读能力,将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞,操作系统使用 DMA(Direct Memory Access)来实现文件读,其间也不会使用 cpu

  2. 内核态切换回用户态,将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区(即 byte[] buf),这期间 cpu 会参与拷贝,无法利用 DMA

  3. 调用 write 方法,这时将数据从用户缓冲区(byte[] buf)写入 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝

  4. 接下来要向网卡写数据,这项能力 java 又不具备,因此又得从用户态切换至内核态,调用操作系统的写能力,使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

可以看到中间环节较多,java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写,而是缓存的复制,底层的真正读写是操作系统来完成的

  • 用户态与内核态的切换发生了 3 次,这个操作比较重量级
  • 数据拷贝了共 4 次

3.2 零拷贝

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  1. java 调用 transferTo 方法后,要从 java 程序的用户态切换至内核态,使用 DMA将数据读入内核缓冲区,不会使用 cpu
  2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝
  3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

可以看到

  • 只发生了一次用户态与内核态的切换
  • 数据拷贝了 3 次

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