1、Stream 与 Channel

• stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
• stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
• 二者均为全双工，即读写可以同时进行
• 虽然 Stream 是单向流动的，但是它也是全双工的

2、IO 模型

• 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
  • 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程）
  • 例如：线程 A 调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程 B 返回

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段
• 复制数据阶段

根据 UNIX 网络编程 - 卷 I，IO 模型主要有以下几种

阻塞 IO

• 用户线程进行 read 操作时，需要等待操作系统执行实际的 read 操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作

非阻塞IO

• 用户线程

  在一个循环中一直调用 read 方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回

  • 只是在等待阶段非阻塞

• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java 中通过 Selector 实现多路复用

• 当没有事件是，调用 select 方法会被阻塞住
• 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

• 阻塞 IO 模式下，若线程因 accept 事件被阻塞，发生 read 事件后，仍需等待 accept 事件执行完成后，才能去处理 read 事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

异步IO

• 线程 1 调用方法后理解返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
• 当方法的运行结果出来以后，由线程 2 将结果返回给线程 1

3、零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流如下

• Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU

  DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO

• 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte [] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA

• 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte [] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝

• 接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10)
  • 底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10)
  • 底层对应 DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
    • 当引用的对象 ByteBuffer 被垃圾回收以后，虚引用对象 Cleaner 就会被放入引用队列中，然后调用 Cleaner 的 clean 方法来释放直接内存
    • DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化 1

以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM 内存中）

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA 将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

这种方法下

• 只发生了 1 次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化 2

linux 2.4 对上述方法再次进行了优化

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA 将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

整个过程仅只发生了 1 次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次

4、AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

本文由传智教育博学谷教研团队发布。

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