Java高并发教程：高并发IO的底层原理

IO读写的基础原理

程序进行IO读写依赖于操作系统底层的IO读写，主要为read、write两大系统调用。在不同的操作系统中，IO读写的系统调用的名称可能不完全一样，但是基本功能是一样的。

首先我们必须要明白的的是，read系统调用，并不是直接从物理设备把数据读取到内存中；write系统调用，也不是直接把数据写入到物理设备。上层应用无论时调用操作系统的read，还是write都会涉及缓存区。即，调用read，是把数据从内核缓存区复制到进程缓存区，wirte是把数据从进程缓存区复制到内核缓存区。

所以，程序的IO操作实际上是缓存的复制，并不是实际物理设备的读写，这项底层的读写交换，是由操作系统内核（Kernel）来完成的。

操作系统基础知识：

1.操作系统与外部设备之间：主要通过中断机制来实现。

2.操作系统与上层应用程序：主要通过异常与系统调用两个机制来实现。

内核缓存区与进程缓存区

缓存的目的是减少频繁地与设备之间的物理交换，因为外部设备的直接读写，都需要操作系统中断，而中断耗时耗力，所以缓存很有必要。

• 在Linux系统中，操作系统内核只有一个内核缓冲区。
• 每个用户程序（进程），有自己独立的缓存区，叫做进程缓存区。

用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区之间直接进行数据的交换。

系统调用read&write的流程

到这里，还是需要举个例子：

比如在Java服务器端，完成一次socket请求和响应，完整的流程如下：·

1. 客户端请求：Linux通过网卡读取客户端的请求数据，将数据读取到内核缓冲区。·
2. 获取请求数据：Java服务器通过read系统调用，从Linux内核缓冲区读取数据，再送入Java进程缓冲区。·
3. 服务器端业务处理：Java服务器在自己的用户空间中处理客户端的请求。
4. 服务器端返回数据：Java服务器完成处理后，构建好的响应数据，将这些数据从用户缓冲区写入内核缓冲区。这里用到的是write系统调用。·
5. 发送给客户端：Linux内核通过网络IO，将内核缓冲区中的数据写入网卡，网卡通过底层的通信协议，会将数据发送给目标客户端。

四种主要的IO模型

1.同步阻塞IO（Blocking IO）

阻塞IO指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的操作。

同步IO指的是用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接收方。异步IO则反过来，是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受方。

2.同步非阻塞IO（Non-blocking IO）

非阻塞IO，指的是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间执行用户的操作，即处于非阻塞的状态，与此同时内核会立即返回给用户一个状态值。

简单来说：阻塞是指用户空间（调用线程）一直在等待，而不能干别的事情；非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，IO操作可以干就干，不可以干，就去干别的事情。

注意：这里所说的NIO（同步非阻塞IO）模型，并非Java的NIO（New IO）库。

3.IO多路复用（IO Multiplexing）

IO多路复用可以解决非阻塞IO模型中存在的轮询等待问题。

4.异步IO（Asynchronous IO）