面试题：聊聊Unix与Java的IO模型？
要搞明白IO相關的概念，首先就得弄清楚同步與異步，阻塞與非阻塞到底是什么意思。
同步與異步
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想要搞明白IO模型，就先得搞明白“同步”與“異步”的關系。
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所謂的“同步”，比如說調用者去調用一個接口，這個接口比如要執行一些磁盤文件讀寫操作，或者是網絡通信操作。
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假設是“同步”的模式，調用者必須要等待這個接口的磁盤讀寫或者網絡通信的操作執行完畢了，調用者才能返回，這就是“同步”，如下圖所示：
所謂的“異步”，就是說這個調用者調用接口之后，直接就返回了，他去干別的事兒了，也不管那個接口的磁盤讀寫或者是網絡通信是否成功。
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然后這個接口后續如果干完了自己的任務，比如寫完了文件或者是什么的，會反過來通知調用者，之前你的那個調用成功了。可以通過一些內部通信機制來通知，也可以通過回調函數來通知，如下圖。
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用生活中的例子理解同步與異步
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如果給大家舉個生活中的例子，那么就可以用買煙這個事兒來舉個例子
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比如說現在你要去一個柜臺買很多條香煙，但是現在柜臺沒那么多貨，他需要打電話給庫房來查一下有沒有足夠的貨。
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這個時候，庫房的工作人員正好去吃飯了，那現在你有兩種選擇：
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第一種選擇，你可以在柜臺等著，一直等待庫房工作人員回來，柜臺專員打通電話給他查到了庫存是否充足，你再走。
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這個就是“同步”，你找柜臺工作人員買香煙，他要打電話給庫房工作人員問庫存，如果你選擇“同步”模式，那么你就在柜臺一直等著，直到成功查詢到庫存為止。
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第二種選擇，你可以先回家干點兒別的，比如說洗衣服做飯之類的，然后過了一會兒，柜臺工作人員打通電話給庫房工作人員，查到香煙庫存了，就會打個電話給你，告訴你這個事兒。
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這就是“異步”，你跟柜臺工作人員說了這個事兒，就直接走了，干別的去了，柜臺工作人員后面完成他的任務之后，就會反過來打電話回調通知你。
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阻塞與非阻塞
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實際上阻塞與非阻塞的概念，通常是針對底層的IO操作來說的。
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比如現在我們的程序想要通過網絡讀取數據，如果是阻塞IO模式，一旦發起請求到操作系統內核去從網絡中讀取數據，就會阻塞在那里，必須要等待網絡中的數據到達了之后，才能從網絡讀取數據到內核，再從內核返回給程序，如下圖。
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而非阻塞，指的就是程序發送請求給內核要從網絡讀取數據，但是此時網絡中的數據還沒到，此時不會阻塞住，內核會返回一個異常消息給程序。
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程序就可以干點兒別的，然后過一會兒再來發起一次請求給內核，讓內核嘗試從網絡讀取數據。
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因為如果網絡中的數據還沒到位，是不會阻塞住程序的，需要程序自己不斷的輪詢內核去嘗試讀取數據，所以這種IO就是非阻塞的。如下圖：
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大家不要把“同步/異步”概念和“阻塞/非阻塞”概念混淆起來，實際上他們是兩組不同的概念。
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“同步/異步”更多的是針對比如接口調用，服務調用，API類庫調用，類似這樣的場景。
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而“阻塞/非阻塞”概念針對的是底層IO操作的場景，比如磁盤IO，網絡IO。但是在Java IO模型里，兩種概念之間是有一定的關聯關系的?。
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Unix支持的5種IO模型
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Unix操作系統支持的IO模型主要就是5種：
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阻塞IO：就是上面圖里的那種阻塞IO模式，程序發起請求之后會阻塞，一直到系統內核發現網絡中有數據到達了，拷貝數據給程序進程了，才能返回
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非阻塞IO：就是上面圖里的那種非阻塞IO模式，程序發起請求讀取數據，系統內核發現網絡數據還沒到，就返回一個異常信息，程序不會阻塞在IO操作上，但是過一會兒還得再來發起請求給內核，直到內核發現網絡數據到達了，此時就會拷貝數據給程序進程
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IO多路復用：這個下面來講
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信號驅動式IO：一般很少用到，這里不說明
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異步IO：下面來講
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JDK 1.4之前的同步阻塞IO
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在JDK 1.4之前，主要就是同步阻塞IO模型，在Java里叫做BIO。
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在Java代碼里調用IO相關接口，發起IO操作之后，Java程序就會同步等待，這個同步指的是Java程序調用IO API接口的層面而言。
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而IO API在底層的IO操作是基于阻塞IO來的，向操作系統內核發起IO請求，系統內核會等待數據就位之后，才會執行IO操作，執行完畢了才會返回。
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JDK 1.4之后的同步非阻塞NIO
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在JDK 1.4之后提供了NIO，他的概念是同步非阻塞，也就是說如果你調用NIO接口去執行IO操作，其實還是同步等待的，但是在底層的IO操作上?，會對系統內核發起非阻塞IO請求，以非阻塞的形式來執行IO。
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也就是說，如果底層數據沒到位，那么內核返回異常信息，不會阻塞住，但是NIO接口內部會采用非阻塞方式過一會兒再次調用內核發起IO請求，直到成功為止。
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但是之所以說是同步非阻塞，這里的“同步”指的就是因為在你的Java代碼調用NIO接口層面是同步的，你還是要同步等待底層IO操作真正完成了才可以返回，只不過在執行底層IO的時候采用了非阻塞的方式來執行罷了。
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NIO網絡通信與IO多路復用模型
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實際上，如果基于NIO進行網絡通信，采取的就是多路復用的IO模型，這個多路復用IO模型針對的是網絡通信中的IO場景來說的。
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簡單來說，就是在基于Socket進行網絡通信的時候，如果有多個客戶端跟你的服務端建立了Socket連接，那你就需要維護多個Socket連接。
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而所謂的多路復用IO模型，就是說你的Java代碼直接通過一個select函數調用，直接會進入一個同步等待的狀態。
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這也是為什么說NIO一定是“同步”的，因為你必須在這里同步等待某個Socket連接有請求到來。
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接著你就要同步等著select函數去對底層的多個 Socket 連接進行輪詢，不斷的查看各個 Socket 連接誰有請求到達，就可以讓select函數返回，交給我們的Java程序來處理。
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select函數在底層會通過非阻塞的方式輪詢各個Socket，任何一個Socket如果沒有數據到達，那么非阻塞的特性會立即返回一個信息。
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然后select函數可以輪詢下一個Socket，不會阻塞在某個Socket上，所以底層是基于這種非阻塞的模式來“監視”各個Socket誰有數據到達的。
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這就是所謂的“同步非阻塞”，但是因為操作系統把上述工作都封裝在一個select函數調用里了，可以對多路Socket連接同時進行監視，所以就把這種模型稱之為“IO多路復用”模型。
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通過這種IO多路復用的模型，就可以用一個線程，調用一個select函數，然后監視大量的客戶端連接了，如下圖。
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AIO以及異步IO模型
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最后就是JDK 1.7之后，又支持了AIO，也叫做NIO 2.0，他就支持異步IO模型了。
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我們先說一下異步IO模型是什么意思。
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簡單來說，就是你的Java程序可以基于AIO API發起一個請求，比如說接收網絡數據，AIO API底層會基于異步IO模型來調用操作系統內核。
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此時不需要去管這個IO是否成功了，AIO接口會直接返回，你的Java程序也會直接返回。
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然后，你的Java程序就可以去干別的事兒了。大家聯想一下上面說的那個異步的例子，就可以理解這里為什么叫做異步了。
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因為BIO、NIO都是同步的，你發起IO請求，都必須同步等待IO操作完成。
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但是這里你發起一個IO請求，直接AIO接口就返回了，你就可以干別的事兒了，純異步的方式。
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不過你需要提供一個回調函數給AIO接口，一旦底層系統內核完成了具體的IO請求，比如網絡讀寫之類的，就會回調你提供的回調函數。
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比如說你要是通過網絡讀取數據，那么此時AIO接口就會把操作系統異步讀取到的數據交給你的回調函數。
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整個過程如下圖：
總結
以上是生活随笔為你收集整理的面试题：聊聊Unix与Java的IO模型？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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