BIO、NIO、多路复用和AIO

小飞棍来喽~~~ 今天和大家一起来学习一下IO相关的知识内容。这里推荐一个公众号：小林coding。该大佬的图解系列相当好，关于IO的相关知识XiXi也是从这位大佬的文章中学习的。写这篇文章的目的也是为了检验自己对IO相关知识的掌握，以及用Java代码向大家说明何为BIO？何为NIO？何为多路复用?

BIO、NIO和AIO

何为IO

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IO：I是输入（Input），O是输出（Output）一言蔽之：从IO设备读取数据或写入数据到应用程序从IO设备读取数据，需要先将数据拷贝到内核态，再将数据从内核态拷贝到用户态。写数据反之。

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BIO、NIO和AIO的区别就是在于等待这两次拷贝的不同

BIO

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BIO：阻塞式IO，需要等待数据从IO设备->内核态和内核态->用户态两次拷贝。一旦调用read(),则线程将会阻塞

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上图来自：小林coding

NIO

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NIO：非阻塞式IO，不用等待数据从IO设备->内核态的过程，但是要等待内核态->用户态的数据拷贝调用read()方法后，方法不会阻塞，但是需要主动不停地询问是否完成IO设备->内核态拷贝

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上图来自：小林coding

AIO

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AIO：异步非阻塞IO，这种IO既不用等待IO设备->内核态的过程，也不要等待内核态->用户态将数据的处理逻辑写成回调方法，数据在用户态准备好后，自动可以调用你的回调方法

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上图来自：小林coding

以NIO为基础的IO多路复用

回顾NIO的特点，不用等待数据从IO设备->内核态的拷贝，但是要不断地询问内核有没有完成拷贝好。这样总感觉到不够优雅，于是IO多路复用出现了。

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图片来自：小林coding

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用户程序调用select或者poll或者epoll方法后开始阻塞，等内核态数据准备好，方法返回用户程序立即就可以对这些数据进行读操作

IO多路复用的意义是啥？

从用户使用角度对比下IO多路复用和BIO

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IO多路复用：用户调用select()开始阻塞，阻塞结束后，可以直接读。 BIO：用户调用read()开始阻塞，阻塞结束后，可以直接读。

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我的天，从我用户（程序员）角度来看IO多路复用和我用BIO的效果不是一样的吗？有没有朋友和我有同样疑问的？下面我来说说我的理解

其实不然，IO多路复用主要应用于网络IO，让单线程下处理多客户端Socket成为可能。在单线程中，select()阻塞返回后，必定是一些数据准备好的客户端Socket，可以直接依次读数据无需担心会被哪个客户端Socket所阻塞。处理完一批后，继续select(),循环往复。相反，如果在单线程通过BIO的方式来处理多个Socket，场景会是：客户端A的Socket迟迟没有新数据，客户端B的Socket数据早已准备好等待被读。但是线程中先调用了客户端A的Socket的read()，请问如果客户端A的Socket迟迟不发新数据，阁下又该如何应对？这就是标准的“占着茅坑不拉屎”。

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总结：IO多路复用是在NIO的基础上产生的，主要用于网路IO，可以实现单线程下多客户端（多路）的处理。因此得名 IO多路复用。

总结IO分类

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参考：小林coding

代码实操

本小节想通过Java代码，向大家演示一下，Java中BIO、NIO、AIO以及IO多路复用的代码是什么样子的。毕竟“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。

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代码中没关闭IO流的地方请大家见谅，工作当中记得关闭IO流。

磁盘IO(文件IO)

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读取文件-BIO方式

通过FileInputStream#read()会发生阻塞，等待数据从IO设备->内核态和内核态->用户态的两次数据拷贝才会返回

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读取文件-NIO方式

Java为我们提供了FileChannel来完成NIO，从理论上来讲，read()方法在数据从IO设备->内核态未拷贝好时不会阻塞，但是内核态->用户态这部分会阻塞。所以红色框中代码会阻塞的（具体XiXi也没验证）

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读取文件-AIO方式

Java为我们提供了AsynchronousFileChannel来完成AIO，从实验结果来看，调用完read()后立刻就往下执行了，程序自动会回调我自定义方法。

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读取文件-IO多路复用

使用IO多路复用怎么读取文件？没有相关实现，IO多路复用用于网络IO。

网络IO

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网络IO-BIO

在没有客户端连接服务器时，accept()方法会阻塞
在客户端没有新的数据传输过来时，read()方法会阻塞

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网路IO-NIO

通过配置ServerSocketChannel非阻塞来开启NIO，当没有客户端连接时accept()不会阻塞
通过配置SocketChannel非阻塞来开启NIO，当客户端没有新消息发送过来时read()不会阻塞

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网络IO-IO多路复用

select()会发生阻塞
每次select会返回多个事件：ACCEPT、READ
处理完后一定要remove()

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网络IO-AIO

略

select、poll和epoll模型

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IO多路复用的实现方式

select和poll

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摘自：小林coding

已连接的Socket放在文件描述符集合，集合从用户态拷贝到内核态，内核态标识出有事件的Socket并将标识后的集合再次拷贝回用户态，用户态遍历集合，处理有事件的Socket。
select使用的Bitsmap作为集合（有大小限制），poll使用链表（突破大小限制）

epoll

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select或poll的方式都会产生2次整个集合的拷贝和遍历。于是epoll出现了

epoll模型不再使用集合拷贝的方式，而是在内核态维护了一棵红黑树，待检测的Socket会加入红黑树，红黑树中有事件的Socket会加入链表，用户select（epoll_waitl）时只会返回有事件的Socket。

事件触发模式

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边缘触发和水平触发摘自：小林coding

边缘触发：Socket有事件后苏醒一次，用户即使没有read数据，也不会再苏醒，除非有新事件。
水平触发：Socket中的事件只要没被处理（read），下一次还是会苏醒。

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select和poll只支持水平触发

epoll默认水平触发，可以设置为边缘触发

边缘触发高于水平触发效率，可以减少epoll_waitl的调用次数

参考文章

https://xiaolincoding.com/os/8_network_system/selete_poll_epoll.html
https://xiaolincoding.com/os/6_file_system/file_system.html#%E6%96%87%E4%BB%B6-i-o