IO如何实现
io模型我们的程序基本上都是对数据的io操作以及基于cpu的运算。
基于java的开发大部分是网络相关的编程，不管是基于如tomcat般的web容器，或是基于netty开发的应用间的rpc服务。为了提供系统吞吐量， 降低硬件资源的开销，io模型也在不断适应大规模、高并发需求不断演进，今天我们就来看看这个在网络上高频出现的词汇io模型
linux io模型首先我们要明确，用户程序从计算机硬件读取数据（包括文件、网络数据等），会经历数据从硬件设备中读取到系统内核后，再拷贝到用户空间的过程。在linux系统中，针对这一操作提供了5种io模型用于优化不同场景下的io操作。
同步阻塞io 系统程序调用recvfrom阻塞等待内核将数据准备（从网卡将数据读取到内存中）。之后用户通过recvfrom等待内核将数据准备好，此时内核将数据从内核缓冲区复制到用户态缓冲区。
blocking i/o发起system call recvfrom()时，进程将一直阻塞等待另一端socket的数据到来。在该模式下，会阻塞其他连接的建立，因此一般都会通过多线程处理socket数据的读取。
blocking i/o优点是简单易用，对于本地i/o而言性能很高。缺点是处理网络i/o时，造成进程阻塞，以及创建线程的资源消耗。
同步非阻塞io
系统程序调用recvfrom时并不会阻塞等待，但是需要调用方不停的去轮询内核，获取数据准备状态。之后用户发起的（同步）recvfrom检查到内核将数据准备好后，进行数据由内核到用户空间的复制。
相对于阻塞i/o的等待，非阻塞i/o隔一段时间就就需要发起system call判断数据是否就绪。如果数据就绪，就从kernel space复制到user space，操作数据; 否则，kernel会立即返回ewouldblock这个错误。
recvfrom有个参数叫flags，默认情况下阻塞。可以设置flag为非阻塞让kernel在数据未就绪时直接返回。这就是”非阻塞”主要是指数据准备阶段。
io多路复用
系统程序调用select/poll/epoll会阻塞等待至少有一个套接字就绪则返回。用户（同步）调用recvfrom，获取这些就绪的套接字，轮询将数据由内核复制到用户态缓冲区。
i/o multiplexing首先向kernel发起system call，传入file descriptor和感兴趣的事件(readable、writable等)让kernel监测， 当其中一个或多个fd数据就绪，就会返回结果。程序再发起真正的i/o操作recvfrom读取数据。
信号驱动io
系统调用sigaction不会阻塞。当数据准备完成之后，会主动的通知用户进程数据已经准备完成，对用户进程做一个回调。用户发起的（同步）recvfrom将就绪的数据由内核复制到用户态缓冲区。
第一次发起system call不会阻塞进程，kernel的数据就绪后会发送一个signal给进程。进而发起真正的io操作。
异步io
系统调用aio_read不会阻塞。直到i/o数据准备好内核会直接将数据复制到用户空间，然后内核主动会给用户进程发送通知，告诉用户进程信号表示并进行数据处理。
既然说到异步io，则前面的几种io模型都是同步的，由上图可以看到，在数据拷贝（内核态到用户态）时，仍然是阻塞的。在异步io中，请求连接到内核后，从数据准备到复制整个过程 都是在内核中完成，对应用户程序不会阻塞，直到请求数据完全准备好后，通过回调函数通知用户程序完成整个io操作。
java中的io模型java中提供的io相关的api，主要是基于操作系统底层的io的操作。在java中的bio、nio、aio属于java对操作系统的各种io模型的封装。当我们使用这些api时，不用关注底层io的实现。
bio同步阻塞io ，服务端通过阻塞输入流来监听客户端是否有数据写入，当处理输入数据时，程序会等待内核完成处理完成并返回后才会继续执行。
上图可以看到，服务端通过serversocket#accept阻塞方法监听客户端的接入，然后阻塞在通过阻塞输入流等待客户端的输入，如果一直没有输入，则其他客户端都会被阻塞在此。
我们可以通过多线程来改善，每个客户端连接时，都由独立的线程来处理，虽然通过多线程可以解决客户端间的阻塞问题，但单个线程内然是阻塞模式， 并且当客户端过多时需要足够的线程来支持，比较耗费系统资源。
nio同步非阻塞io ，基于多路复用模型，依赖于服务器操作系统，通过一个selector即可监听多个连接，并进行io处理。但要注意，如果处理io的过程较长一样会影响到其他的连接。
服务端通过selector#select阻塞方法，监听channel状态，一旦有channel准备就绪，程序才会继续往下执行，因此需要不断轮询并监控channel的状态变更。与bio的多线程模式非常相似，只不过bio是基于多线程技术实现，而nio是基于操作系统底层提供的函数，效率更好且资源消耗更少。
aio异步非阻塞io ，在jdk1.7之后提供了异步的相关channel，aio提供异步功能， 基于回调函数实现 ，同样依赖于操作系统底层的异步io模型，异步操作的实现是在对应的 accept、connection、read、write等方法异步执行，完成后会主动调用回调函数。
其中accept、read等方法都是非阻塞的，即立即返回结果，几乎所有的异步操作都是基于回调函数实现，这种方式不管是对操作系统资源的利用以及效率上都是最佳的实现。
虽然三种io模型的演进是为了提升系统处理io的能力，但是开发的复杂度也同步上升：
bio方式适用于连接数目比较小且固定的架构，需要依赖于线程来支持多个客户端接入，但程序直观简单易理解。nio方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂。aio方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用os参与并发操作，编程比较复杂。同/异步与（非）阻塞关于阻塞、非阻塞、同步、异步这些名词的解释，可以在网上找到很多解释，但是如何能够从本质上描述其含义，正如io与nio中说到的阻塞与非阻塞，又是怎么体现的呢？
我们一般说说的io模型，其实是服务端进行io操作执行与实现的形式，程序将数据从程序写入或读写时，与硬件设备（比如硬盘、网卡）间，基于操作系统提供的系统api实现数据由用户态与内核态交互的一种形式。
同步
程序执行需要等待返回后才会继续。异步
与同步相反，比较直观的就是线程。阻塞io
程序需要等待内核io操作完成后返回到用户空间继续执行用户程序的操作指令。这里的阻塞主要是调用操作系统api被阻塞导致程序挂起，描述的是程序当前执行的状态。非阻塞io
既然阻塞是调用操作系统api被阻塞，那么非阻塞则相反，得益于操作系统提供的函数支持，一般是通过轮询机制与回调函数实现。同步与异步属于程序发起请求的方式；阻塞与非阻塞属于服务响应io操作的底层实现方式。
示例基于上面的理解，我们看下在java中如何实现bio、nio以及aio。
bio
server:
serversocket = new serversocket(port); // 阻塞直到有连接 socket clientsocket = serversocket.accept(); // 阻塞读取数据 bufferedreader reader = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream())); log.info( >> >> > server接收消息：{} , reader.readline()); socket.shutdowninput(); log.info( >> >> > server回复消息：{} , message); printwriter writer = new printwriter(socket.getoutputstream()); writer.println(message);client:
// 连接服务端 socket = new socket(127.0.0.1,port); outputstream out = socket.getoutputstream(); out.write(message.getbytes()); socket.shutdownoutput(); bufferedreader reader = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream())); log.info(接收server回复：{}, reader.readline());nio
省略
aio
server:
// serversocketchannel = asynchronousserversocketchannel.open(); //绑定端口 serversocketchannel.bind(new inetsocketaddress(port)); //异步接收客户端连接 serversocketchannel.accept(null, new acceptcompletionhandler()); /** * 处理客户端连接 * @param */ public class acceptcompletionhandler implements completionhandler { @override public void completed(asynchronoussocketchannel result, t attachment) { log.info( >> > 客户端接入...); bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(512); //异步读客户端数据 result.read(bytebuffer, bytebuffer, new readcompletionhandler()); //接收其他的客户端连接的 serversocketchannel.accept(null, this); } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { log.error( >> > 客户端接入失败:{}, exc.getmessage()); } } /** * 处理serverchannel读取 * @param */ public class readcompletionhandler implements completionhandler{ @override public void completed(integer result, t attachment) { if(attachment.hasremaining()){ // 切换成读模式 attachment.flip(); // if( attachment instanceof bytebuffer ){ byte[] bytes = new byte[attachment.remaining()]; ((bytebuffer)attachment).get(bytes); // 从buffer中取数据 get log.info(server接收消息：{}, new string(bytes)); } } } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { log.error(server接收消息失败：{}, exc.getmessage()); } }client:
//创建异步通道实例 socketchannel = asynchronoussocketchannel.open(); //连接服务端，异步方式 socketchannel.connect(new inetsocketaddress(127.0.0.1,port), null, new connetioncomplatehandler()); // 消息发送 this.socketchannel.write(charset.defaultcharset().encode(message)); /** * * @param */ public class connetioncomplatehandler implements completionhandler { @override public void completed(void result, t attachment) { log.info(client连接服务的成功...); } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { } }结束语通过了解操作系统层面的io模型可以让我们理解io是如何实现，以及通过java语言提供的类库实现了操作系统底层api调用的复杂性。
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同步阻塞io 系统程序调用recvfrom阻塞等待内核将数据准备（从网卡将数据读取到内存中）。之后用户通过recvfrom等待内核将数据准备好，此时内核将数据从内核缓冲区复制到用户态缓冲区。
blocking i/o发起system call recvfrom()时，进程将一直阻塞等待另一端socket的数据到来。在该模式下，会阻塞其他连接的建立，因此一般都会通过多线程处理socket数据的读取。
blocking i/o优点是简单易用，对于本地i/o而言性能很高。缺点是处理网络i/o时，造成进程阻塞，以及创建线程的资源消耗。
同步非阻塞io
系统程序调用recvfrom时并不会阻塞等待，但是需要调用方不停的去轮询内核，获取数据准备状态。之后用户发起的（同步）recvfrom检查到内核将数据准备好后，进行数据由内核到用户空间的复制。
相对于阻塞i/o的等待，非阻塞i/o隔一段时间就就需要发起system call判断数据是否就绪。如果数据就绪，就从kernel space复制到user space，操作数据; 否则，kernel会立即返回ewouldblock这个错误。
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第一次发起system call不会阻塞进程，kernel的数据就绪后会发送一个signal给进程。进而发起真正的io操作。
异步io
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既然说到异步io，则前面的几种io模型都是同步的，由上图可以看到，在数据拷贝（内核态到用户态）时，仍然是阻塞的。在异步io中，请求连接到内核后，从数据准备到复制整个过程 都是在内核中完成，对应用户程序不会阻塞，直到请求数据完全准备好后，通过回调函数通知用户程序完成整个io操作。
java中的io模型java中提供的io相关的api，主要是基于操作系统底层的io的操作。在java中的bio、nio、aio属于java对操作系统的各种io模型的封装。当我们使用这些api时，不用关注底层io的实现。
bio同步阻塞io ，服务端通过阻塞输入流来监听客户端是否有数据写入，当处理输入数据时，程序会等待内核完成处理完成并返回后才会继续执行。
上图可以看到，服务端通过serversocket#accept阻塞方法监听客户端的接入，然后阻塞在通过阻塞输入流等待客户端的输入，如果一直没有输入，则其他客户端都会被阻塞在此。
我们可以通过多线程来改善，每个客户端连接时，都由独立的线程来处理，虽然通过多线程可以解决客户端间的阻塞问题，但单个线程内然是阻塞模式， 并且当客户端过多时需要足够的线程来支持，比较耗费系统资源。
nio同步非阻塞io ，基于多路复用模型，依赖于服务器操作系统，通过一个selector即可监听多个连接，并进行io处理。但要注意，如果处理io的过程较长一样会影响到其他的连接。
服务端通过selector#select阻塞方法，监听channel状态，一旦有channel准备就绪，程序才会继续往下执行，因此需要不断轮询并监控channel的状态变更。与bio的多线程模式非常相似，只不过bio是基于多线程技术实现，而nio是基于操作系统底层提供的函数，效率更好且资源消耗更少。
aio异步非阻塞io ，在jdk1.7之后提供了异步的相关channel，aio提供异步功能， 基于回调函数实现 ，同样依赖于操作系统底层的异步io模型，异步操作的实现是在对应的 accept、connection、read、write等方法异步执行，完成后会主动调用回调函数。
其中accept、read等方法都是非阻塞的，即立即返回结果，几乎所有的异步操作都是基于回调函数实现，这种方式不管是对操作系统资源的利用以及效率上都是最佳的实现。
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bio方式适用于连接数目比较小且固定的架构，需要依赖于线程来支持多个客户端接入，但程序直观简单易理解。nio方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂。aio方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用os参与并发操作，编程比较复杂。同/异步与（非）阻塞关于阻塞、非阻塞、同步、异步这些名词的解释，可以在网上找到很多解释，但是如何能够从本质上描述其含义，正如io与nio中说到的阻塞与非阻塞，又是怎么体现的呢？
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同步
程序执行需要等待返回后才会继续。异步
与同步相反，比较直观的就是线程。阻塞io
程序需要等待内核io操作完成后返回到用户空间继续执行用户程序的操作指令。这里的阻塞主要是调用操作系统api被阻塞导致程序挂起，描述的是程序当前执行的状态。非阻塞io
既然阻塞是调用操作系统api被阻塞，那么非阻塞则相反，得益于操作系统提供的函数支持，一般是通过轮询机制与回调函数实现。同步与异步属于程序发起请求的方式；阻塞与非阻塞属于服务响应io操作的底层实现方式。
示例基于上面的理解，我们看下在java中如何实现bio、nio以及aio。
bio
server:
serversocket = new serversocket(port); // 阻塞直到有连接 socket clientsocket = serversocket.accept(); // 阻塞读取数据 bufferedreader reader = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream())); log.info( >> >> > server接收消息：{} , reader.readline()); socket.shutdowninput(); log.info( >> >> > server回复消息：{} , message); printwriter writer = new printwriter(socket.getoutputstream()); writer.println(message);client:
// 连接服务端 socket = new socket(127.0.0.1,port); outputstream out = socket.getoutputstream(); out.write(message.getbytes()); socket.shutdownoutput(); bufferedreader reader = new bufferedreader(new inputstreamreader(socket.getinputstream())); log.info(接收server回复：{}, reader.readline());nio
省略
aio
server:
// serversocketchannel = asynchronousserversocketchannel.open(); //绑定端口 serversocketchannel.bind(new inetsocketaddress(port)); //异步接收客户端连接 serversocketchannel.accept(null, new acceptcompletionhandler()); /** * 处理客户端连接 * @param */ public class acceptcompletionhandler implements completionhandler { @override public void completed(asynchronoussocketchannel result, t attachment) { log.info( >> > 客户端接入...); bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(512); //异步读客户端数据 result.read(bytebuffer, bytebuffer, new readcompletionhandler()); //接收其他的客户端连接的 serversocketchannel.accept(null, this); } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { log.error( >> > 客户端接入失败:{}, exc.getmessage()); } } /** * 处理serverchannel读取 * @param */ public class readcompletionhandler implements completionhandler{ @override public void completed(integer result, t attachment) { if(attachment.hasremaining()){ // 切换成读模式 attachment.flip(); // if( attachment instanceof bytebuffer ){ byte[] bytes = new byte[attachment.remaining()]; ((bytebuffer)attachment).get(bytes); // 从buffer中取数据 get log.info(server接收消息：{}, new string(bytes)); } } } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { log.error(server接收消息失败：{}, exc.getmessage()); } }client:
//创建异步通道实例 socketchannel = asynchronoussocketchannel.open(); //连接服务端，异步方式 socketchannel.connect(new inetsocketaddress(127.0.0.1,port), null, new connetioncomplatehandler()); // 消息发送 this.socketchannel.write(charset.defaultcharset().encode(message)); /** * * @param */ public class connetioncomplatehandler implements completionhandler { @override public void completed(void result, t attachment) { log.info(client连接服务的成功...); } @override public void failed(throwable exc, t attachment) { } }结束语通过了解操作系统层面的io模型可以让我们理解io是如何实现，以及通过java语言提供的类库实现了操作系统底层api调用的复杂性。
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