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IO模型--从BIO、NIO、AIO到内核select、poll、epoll剖析

news 2025/6/29 3:02:34

IO基本概述

IO的分类

IO以不同的维度划分，可以被分为多种类型；从工作层面划分成磁盘IO（本地IO）和网络IO；也从工作模式上划分：BIO、NIO、AIO；从工作性质上分为阻塞式IO与非阻塞式IO；从多线程角度也可被分为同步IO与异步IO。

Java中IO的介绍

传统的 java.io 包，它基于流模型实现，提供了最熟知的一些 IO 功能，比如 File 抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式。也把 java.net 下面提供的部分网络 API，比如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也归类到同步阻塞 IO 类库，因为网络通信同样是 IO 行为。

在 Java 1.4 中引入了 NIO 框架（java.nio 包），提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。

在实际面试中，从传统 IO 到 NIO、NIO 2，其中有很多地方可以扩展开来，考察点涉及方方面面，比如：

基础 API 功能与设计， InputStream/OutputStream 和 Reader/Writer 的关系和区别。
NIO、NIO 2 的基本组成。
给定场景，分别用不同模型实现，分析 BIO、NIO 等模式的设计和实现原理。
NIO 提供的高性能数据操作方式是基于什么原理，如何使用？

java IO概念

IO 不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如 Socket 通信，都是典型的 IO 操作目标。
输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。
而 Reader/Writer 则是用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer 相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁
BufferedOutputStream 等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高 IO 处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了 flush。

Java中的BIO、NIO、AIO

BIO 是一个同步阻塞 IO，阻塞 I/O 难以支持高并发的场景。NIO是一个非阻塞 I/O，非阻塞的原因就是基于多路复用机制实现，高并发场景下效率非常高。 AIO是一个异步非阻塞IO，理论上讲， AIO的吞吐量肯定比NIO的要大；但是实际上AIO的底层实现仍使用epoll，没有很好实现AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层，不容易深度优化。

Java BIO

BIO就是Java的传统IO模型，与其相关的实现都位于java.io包下，其通信原理是客户端、服务端之间通过Socket套接字建立管道连接，然后从管道中获取对应的输入/输出流，最后利用输入/输出流对象实现发送/接收信息。在基本的 Socket 编程模型中，accept 函数只能在一个监听套接字上监听客户端的连接，recv 函数也只能在一个已连接套接字上，等待客户端发送的请求，只能处理一个客户端连接。

Java NIO

Java-NIO则是JDK1.4中新引入的API；NIO是一种基于通道、面向缓冲区的IO操作，相较BIO而言，它能够更为高效的对数据进行读写操作，同时与原先的BIO使用方式也大有不同。Java-NIO是基于多路复用模型实现的，其中存在三大核心组成部分：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）。NIO 利用单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的 Channel，来决定做什么，仅仅 select 阶段是阻塞的，就可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。

NIO 的主要组成部分：

Buffer，高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的 Buffer 实现。
Channel，类似在 Linux 之类操作系统上看到的文件描述符，是 NIO 中被用来支持批量式 IO 操作的一种抽象。File 或 Socket通常被认为是比较高层次的抽象，而 Channel 则是更加操作系统底层的一种抽象，这也使得 NIO 得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，可以通过 Socket 获取 Channel，反之亦然。
Selector，是 NIO 实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在 Selector 上的多个 Channel 中，是否有 Channel 处于就绪状态，进而实现了单线程对多 Channel 的高效管理。Selector 同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别。

缓冲区、通道、选择器三者关系：

简单而言，在这三者之间，Buffer负责存取数据，Channel负责传输数据，而Selector则会决定操作那个通道中的数据。

Java AIO

Java 7 引入 NIO 2 ，增添了一种额外的异步 IO 模式，利用事件和回调，处理 Accept、Read 等操作。Java-AIO与Java-NIO的主要区别在于：使用异步通道去进行IO操作时，所有操作都为异步非阻塞的，当调用read()/write()/accept()/connect()方法时，本质上都会交由操作系统去完成，比如要接收一个客户端的数据时，操作系统会先将通道中可读的数据先传入read()回调方法指定的缓冲区中，然后再主动通知Java程序去处理。

Redis的网络通信模型

通常系统实现网络通信的基本方法是使用 Socket 编程模型，包括创建 Socket、监听端口、处理连接请求和读写请求。但是，由于基本的 Socket 编程模型一次只能处理一个客户端连接上的请求，所以当要处理高并发请求时，一种方案就是使用多线程，让每个线程负责处理一个客户端的请求。而 Redis 负责客户端请求解析和处理的线程只有一个，那么如果直接采用基本 Socket 模型，就会影响 Redis 支持高并发的客户端访问。为了实现高并发的网络通信，Linux提供了 select、poll 和 epoll 三种函数实现多路复用机制，而在 Linux 上运行的 Redis，通常采用 epoll 函数实现多路复用机制进行网络通信。

使用 select 和 poll 机制实现 IO 多路复用

select 函数存在两个设计上的不足：

1）select 函数对单个进程能监听的文件描述符数量是有限制的，它能监听的文件描述符个数由 __FD_SETSIZE 决定，默认值是 1024。

2）当 select 函数返回后，需要遍历描述符集合，才能找到具体是哪些描述符就绪了。这个遍历过程会产生一定开销，从而降低程序的性能。

为了解决 select 函数受限于 1024 个文件描述符的不足，poll 函数对此做了改进。

和 select 函数相比，poll 函数的改进之处主要就在于，它允许一次监听超过 1024 个文件描述符。但是当调用了 poll 函数后，仍然需要遍历每个文件描述符，检测该描述符是否就绪，然后再进行处理。那么，有没有办法可以避免遍历每个描述符呢？就是接下来