IO 作为操作系统的核心知识之一, 无论是在本机、传统的单体应用、还是分布式系统中,都有非常重要的地位.

今天就和大家系统地聊一聊 IO 相关的东西.

IO

IO，Input/Output 简写，是指内存和外设之间的数据复制的过程. 输入是指数据从外设复制到内存中, 输出则是指数据从内存复制到外设.

根据外设种类可以分为磁盘IO和网络IO， 因为外设的数据读写速率较低以及 IO 会涉及到系统调用以及中断，所以通常都会比较耗时。在程序优化时思路之一就是减少 IO 。

软件开发中的 IO

软件开发中各开发语言都提供了 IO 操作的方法或函数, 但应用程序在执行 IO 方法时, 实际上由两步完成，第一步：执行程序，发起系统调用，第二步系统执行 IO 。返回时则首先将数据读入到内核空间，然后内核空间再将数据复制给应用程序。

Unix IO 模型

Unix 根据应用程序 IO 的两个阶段特征将 IO 分为 5 种类型.

1. BIO

阻塞 IO, 服务器在 accept(),read(),write(), 数据没有 ready 前会一直阻塞线程.

2. NIO

 非阻塞 IO, 服务器在 accept(),read(),write(), 数据没有 ready 会立刻返回异常.但为了能读到数据,需要应用程序不断地轮询.

3. IO 复用

在 java 中, 多路复用器 selector 也是 NIO 的核心组件, 利用操作系统的 select、poll、 epoll 机制,来对多个连接进行注册监听,使得一个线程也可以同时处理多个客户端.

 Unix 中一切皆文件, 程序每次轮询检查时都意味着调用 select 系统调用来检查所有的 fd, 这个过程涉及到用户空间和内核空间的切换以及 fd 的拷贝.

while(true) {select.select();
}

4. 信号驱动 IO

通过通知的机制,使得在第一阶段不用阻塞调用进程(阻塞和轮询), 进程可以继续做其他事情,在一定程度提高了程序效率,但是在第二阶段数据复制过程仍然会阻塞进程.

5. AIO

NIO 在数据没有 ready 立刻返回异常, 后续需要不断地轮询, 这个过程也是非常低效的, 操作系统提供了异步通知机制: 一旦数据 ready 会自动通知调用线程.

 总结

BIO 、NIO、IO复用、以及信号驱动IO,  由于第二阶段的数据复制过程, 调用线程都会被阻塞, 因此都属于同步IO. 

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