浅析IO

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I/O

因为库文件的良好封装，我们在开发中可能不会直接使用IO读写，不过程序底层还是离不开IO。这里就来简单介绍下IO吧。
全称：Input/Output，顾名思义就是输入和输出。
场景：涉及到数据交换的地方，通常是磁盘读写、网络数据传输等。
磁盘读写场景：我们记录服务器的日志，最终都要写入文件中保存。如果我们想要分析这些日志，也需要重新从磁盘中读取这些文件。
网络传输场景：在浏览器中输入google.com这个地址，会向google的服务器发送一个请求，google服务器处理后传回google的首页，浏览器会把其中数据解析出来显示给用户。

挑战

I/O读写的核心逻辑很简单，主要是传输数据。但是在实际IO中还有一些挑战，就是我们需要花很多时间去等待IO传输。例如，我们浏览一个网页，需要花1s才能将服务端数据传到浏览器中，在浏览器中渲染和显示只需要0.01s。如果不做其他处理，从点击地址后一直等待页面显示，那就非常浪费时间。

出现这个现象的原因是：CPU和内存的速度远远高于外设传输数据的速度。
短期内这个矛盾没有办法从根源上来解决，但是聪明的程序员想出很多策略去优化I/O场景。

同步IO

原始场景

这是最原始的场景：我们只运行一个线程，服务端接收到浏览器请求后，等待IO读取结束再进行操作，中间无法处理任何响应。这样的体验一定是非常糟糕的，因为整个服务器无法处理其他请求。在刚才的例子中，点击网页后1s内都无法响应其他任何请求，这会让用户非常沮丧。

多线程

我们再稍微改善下，我们点击一个网页后，服务端新开一个线程去处理IO和其他操作。这时服务端还可以有其他线程去处理其他请求，这比原来好很多。

昂贵的线程

但是线程是一种非常昂贵的资源，有以下四个原因：
1.每个空线程就占512k~1M的内存，如果线程增加太多JVM压力会变大；
2.在Linux中线程就是进程，无论是新建和销毁都要调用重量级系统函数，非常占用CPU；
3.线程切换时，需要更新线程的上下文，原先线程缓存的指令和数据都需要重新加载。这会影响整个程序的运行效率，就像我们看英文文献时发现陌生单词后，打开字典去查，查询完毕后再继续阅读。需要重新回想之前前后文，影响阅读效率；
4.有可能会有大量请求同时返回，CPU占有率变得锯齿状，服务器不稳定。

线程池

了解到线程的昂贵开销后，我们考虑接入线程池，可以重复利用原有线程。例如实时性要求不高的情况下，服务端同时有100个请求，线程池有20个线程，用着20个线程反复利用处理请求。这样只需要创建和销毁20个线程。而不用线程池的情况下，需要创建和销毁100个线程。这样大大降低的线程的开销，但是还是不能根治问题。因为始终需要线程去解决问题，我们需要换一种新的策略去解决问题。

异步IO

异步IO，Asynchronous Input and Output，简称AIO
异步IO从新的角度解决问题，用户只发出IO请求，并不等待IO结果，然后就去执行其他代码了。一段时间后，当IO返回结果后，再通知用户进行处理。
举个例子，服务器接受到一个浏览器的请求，发送读取其请求的IO请求，但是并不等待IO结果，而是去处理其他操作。当IO请求返回结果后，服务端再去处理这段IO。

这样操作的好处非常明显：用户不需要新开线程去处理IO。而且用户不用维护数据读不齐时的逻辑，因为操作系统将处理好的数据交给用户。
按照上面说的种种好处，大家肯定会觉得现在主流处理的IO肯定是AIO。但是其实不然，因为一个很现实的原因，纯正支持AIO的操作系统比较少。

各种IO对比

上面是一张特别经典的IO对比图，上面将各种IO都列出来了。我们一个个分析：

阻塞IO

阻塞IO就是上面所说的同步IO，这里不继续讨论。
举个例子，我在奶茶店点了一杯奶茶，点好后就一直在柜台等着，直到奶茶做好。

非阻塞IO

非阻塞IO与阻塞IO不同，发起IO请求后，不需要一直等待，在拿到IO数据之前还可以做一些别的操作。那怎么知道何时能拿到IO数据呢？一般会采用轮询的方法。
轮询就是每隔一段时间去检查是否IO进入可读状态，如果发现数据不可读则立即返回不会阻塞。但是轮询浪费CPU资源，因为大部分时间是无数据可读，但是仍会不间断的反复地去查询。
举个例子，我在奶茶店点了一杯奶茶，没有选择一直等着，而是选择去边上的商店逛逛，每隔一分钟回奶茶店看看奶茶是否完成。但是这仍然会浪费你的时间，因为可能有多次查询的结果都是奶茶没完成。

IO复用

IO复用是基于非阻塞IO的，可以理解成多个IO请求委托给一个对象，让它去统一检查IO是否进入可读状态。这会带来效率的提升，因为不需要所有对象都去轮询。
把例子展开下，一个班级中每个同学都在奶茶店点了一杯奶茶，全权委托班长去轮询奶茶是否已经做好。每一杯奶茶做好了，班长就去通知对应的同学。

信号驱动IO

信号驱动IO就比较好理解。IO进入可读状态后，系统直接通知用户。
对应的例子是，我在奶茶店点了一杯奶茶，而且给店员留了手机号码。然后我就去边上商店逛逛，店员在制作完奶茶后会打电话通知我。不用每隔一段时间再去查看（轮询），也不需要委托给其他人让他去查看（IO复用），非常开心。

异步IO

异步IO和信号驱动IO模式比较接近，但是告知的时间点不同。信号驱动IO在操作系统内核读取完数据后告知用户，用户接到通知后还需要从内核中读取到用户空间，之后才可以使用IO传输过的数据。而异步IO中，操作系统已经把上面的两步全部做完，放到用户空间后再告知用户，用户可以直接使用IO传输过的数据。
这两个IO的对比再举个例子，我们在网上点了一台冰箱，有以下两个不同的场景。
信号驱动IO：快递员送到小区门口，然后快递员给我们打电话（内核空间中数据读取完成，进入可读状态），我们还需要从小区门口搬到房间（将数据从内核空间中读取到用户空间），然后再安装冰箱（使用IO的接收到的数据）。
异步IO：快递员直接将冰箱送到家，这里包含了仓库到小区门口和小区门口到房间两步（包括读取到内核空间，内核空间到用户空间），送到房间门口时再通知我，我直接可以安装冰箱。

NIO

NIO全称为Non-blocking I/O（在Java领域，也称为New I/O）
与上面所说的IO复用模式相同，其中一个重要的角色就是监控管理IO是否可读的对象，在NIO中这个对象是Selector。Selector有一个重要方法select，select维护一张监听套接字的列表（使用前需要注册Selector上），一直阻塞直到其中有一个套接字有数据可供读写。

上图中一个Selector管理着多个Channel，一个Channel代表一个IO通道。

我们用一个交通管理系统去类比下NIO中的主要对象：
Channel：车辆
Selector：调度系统
Buffer：车辆上的货物
Stream：货物

我们再看下主干代码，注意其中的注释：

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// 1.Channel注册到Selector中
channel.register(selector, opType);
// 2.Selector阻塞等待Channel变化
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    keyIterator.remove();
    // 3.按照类型做对应操作
    if(key.isAcceptable()) {
        // 注册新的Channel到Selector中
    } else if (key.isReadable()) {
        // 读操作
    } else if (key.isWritable()) {
        // 写操作
    }
}
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