我们常见的IO模型有:阻塞 IO 模型、非阻塞 IO 模型、多路复用 IO 模型、 信号驱动 IO 模型、异步 IO 模型;下面我们就简单介绍一下以上IO模型。

1、阻塞 IO 模型

最传统的一种IO 模型,即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO 请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block 状态。典型的阻塞IO 模型的例子为:data = socket.read();如果数据没有就绪,就会一直阻塞在read 方法。

2、非阻塞 IO 模型

当用户线程发起一个read 操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error 时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read 操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。所以事实上,在非阻塞IO 模型中,用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU。典型的非阻塞IO 模型一般如下:

while(true){
        data = socket.read();
        if(data!= error){
        处理数据
        break;
    }
}

但是对于非阻塞IO 就有一个非常严重的问题,在while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU 占用率非常高,因此一般情况下很少使用while 循环这种方式来读取数据。

3、多路复用 IO 模型

多路复用IO 模型是目前使用得比较多的模型。

Java NIO 实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket 的状态,只有当socket 真正有读写事件时,才真正调用实际的IO 读写操作。

因为在多路复用IO 模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket 读写事件进行时,才会使用IO 资源,所以它大大减少了资源占用。

在Java NIO 中,是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件,如果没有事件,则一直阻塞在那里,因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

多路复用IO 模式,通过一个线程就可以管理多个socket,只有当socket 真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此,多路复用IO 比较适合连接数比较多的情况。

另外多路复用IO 为何比非阻塞IO 模型的效率高是因为在非阻塞IO 中,不断地询问socket 状态时通过用户线程去进行的,而在多路复用IO 中,轮询每个socket 状态是内核在进行的,这个效率要比用户线程要高的多。

不过要注意的是,多路复用IO 模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达,并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO 模型来说,一旦事件响应体很大,那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理,并且会影响新的事件轮询。

4、信号驱动 IO 模型

在信号驱动IO 模型中,当用户线程发起一个IO 请求操作,会给对应的socket 注册一个信号函数,然后用户线程会继续执行,当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程,用户线程接收到信号之后,便在信号函数中调用IO 读写操作来进行实际的IO 请求操作。

5、异步 IO 模型

异步IO 模型才是最理想的IO 模型,在异步IO 模型中,当用户线程发起read 操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。

而另一方面,从内核的角度,当它受到一个asynchronous read 之后,它会立刻返回,说明read 请求已经成功发起了,因此不会对用户线程产生任何block。

然后,内核会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户线程,当这一切都完成之后,内核会给用户线程发送一个信号,告诉它read 操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个IO 操作是如何进行的,只需要先发起一个请求,当接收内核返回的成功信号时表示IO 操作已经完成,可以直接去使用数据了。

也就说在异步IO 模型中,IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程,这两个阶段都是由内核自动完成,然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO 函数进行具体的读写。

这点是和信号驱动模型有所不同的,在信号驱动模型中,当用户线程接收到信号表示数据已经就绪,然后需要用户线程调用IO 函数进行实际的读写操作;而在异步IO 模型中,收到信号表示IO 操作已经完成,不需要再在用户线程中调用IO 函数进行实际的读写操作。

注意,异步IO 是需要操作系统的底层支持,在Java 7 中,提供了Asynchronous IO。

以上就是常见JAVA中IO/NIO模型的详细内容,更多请关注自学java网其它相关文章!

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原文地址:常见JAVA中IO/NIO模型发布于2021-11-26 11:20:55