一、 IO读写的基础原理：read、write

1、编程模型一致性以及底层系统调用的理解(缓冲区与直接调用)：

        1.1、无论是Socket的读写还是文件的读写，在Java层面的应用开发或者是linux系统底层开发，都属于输入input和输出output的处理，简称为IO读写。在原理上和处理流程上，都是一致的。区别在于参数的不同。

        1.2、用户程序进行IO的读写，基本上会用到read&write两大系统调用。可能不同操作系统，名称不完全一样，但是功能是一样的。

        1.3、read系统调用，并不是把数据直接从物理设备，读数据到内存。write系统调用，也不是直接把数据，写入到物理设备。

        1.4、read系统调用，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；而write系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。这个两个系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。底层的读写交换，是由操作系统kernel内核完成.。

2.理解内核缓冲区和进程缓冲区：（为什么要有缓冲区？减少IO中断）

    1.为什么要有缓冲去？&读写调用的本质(减少中断，仅将数据在两个缓冲区进行复制,和设备的交互则由内核决定)

        缓冲区的目的，是为了减少频繁的系统IO调用。大家都知道，系统调用需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束调用之后回来还需要恢复之前的信息，为了减少这种损耗时间、也损耗性能的系统调用，于是出现了缓冲区。

        有了缓冲区，操作系统使用read函数把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，write把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区中。等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO的调用，提升性能。至于什么时候读取和存储则由内核来决定，用户程序不需要关心。

        在linux系统中，系统内核也有个缓冲区叫做内核缓冲区。每个进程有自己独立的缓冲区，叫做进程缓冲区。所以，用户程序的IO读写程序，大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在读写自己的进程缓冲区。

  2.为什么要区分内核空间以及用户空间？(用户进程无法直接调用系统资源，只能通过操作系统来访问)

     1.内核态和用户态（kernel mode和user mode），在内核态可以访问系统资源，比如：

        1.处理器cpu：cpu控制着一个程序的执行。

        2.输入输出IO：linux有句话叫“一切都是流”，也就是所有输入输出设备的数据，包括硬盘，内存，终端都可以像流一样操作。

        3.进程管理：类似对进程的创建，休眠，唤醒，释放之类的调度。比如linux下的fork和windows下的CreateProcess()函数。

        4.内存：包括内存的申请，释放等管理操作。

        5.设备：这个就是常常说的外设了，比如鼠标，键盘。

        6.计时器：计算机能计时是因为晶体振荡器产生的电磁脉冲。那么所有的定时任务都是以它为基础的。

        7.进程间通信IPC：进程之间是不能够互相访问内存的，所以进程与进程之间的交互需要通信，而通信也是一种资源。

        8.网络通信：网络通信可以看做是进程见通信的特殊形式。

    而上面所说的这些系统资源，在用户进程中是无法被直接访问的，只能通过操作系统来访问，所以也把操作系统提供的这些功能成为:“系统调用”。

首先看看一个典型Java 服务端处理网络请求的典型过程：

（1）客户端请求

Linux通过网卡，读取客户断的请求数据，将数据读取到内核缓冲区。

（2）获取请求数据

服务器从内核缓冲区读取数据到Java进程缓冲区。

（1）服务器端业务处理

Java服务端在自己的用户空间中，处理客户端的请求。

（2）服务器端返回数据

Java服务端已构建好的响应，从用户缓冲区写入系统缓冲区。

（3）发送给客户端

二、Linux五种IO模型

（1）阻塞IO（Blocking IO）：用户空间一直等待。

    首先，解释一下这里的阻塞与非阻塞：

    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。阻塞指的是用户空间程序的执行状态，用户空间程序需等到IO操作彻底完成。传统的IO模型都是同步阻塞IO。在java中，默认创建的socket都是阻塞的。

    其次，解释一下同步与异步：

    同步IO，是一种用户空间与内核空间的调用发起方式。同步IO是指用户空间线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则反过来，是指内核kernel是主动发起IO请求的一方，用户线程是被动接受方。

举个例子，发起一个blocking socket的read读操作系统调用，流程大概是这样：

    1.当用户线程调用了read系统调用，内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。

    2.当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

从开始IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。一直到kernel返回结果后，用户线程才解除block的状态，重新运行起来。

    所以，blocking IO的特点就是在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被block了。

BIO的优点：

    1.程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。用户线程基本不会占用 CPU 资源。

BIO的缺点：

2.一般情况下，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在并发量小的情况下，这个    没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上，BIO模型在高并发场景下是不可用的。

（2）非阻塞IO（Non-blocking IO）：用户空间轮训遍历内核空间，很少用。

    非阻塞IO，指的是用户程序不需要等待内核IO操作完成后，内核立即返回给用户一个状态值，用户空间无需等到内核的IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。

    简单的说：阻塞是指用户空间（调用线程）一直在等待，而且别的事情什么都不做；非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到状态就返回，IO操作可以干就干，不可以干，就去干的事情。

    非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。

NIO的特点：

应用程序的线程需要不断的进行 I/O 系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到完成系统调用为止。

NIO的优点：每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。

NIO的缺点：需要不断的重复发起IO系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。

总之，NIO模型在高并发场景下，也是不可用的。一般 Web 服务器不使用这种 IO 模型。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。java的实际开发中，也不会涉及这种IO模型。

1.与java nio 的区别：

再次说明，Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一种模型，叫做IO多路复用模型（ IO multiplexing ）。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）

    即经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。linux提供了poll/select系统调用，进程通过将一个或多个fd(文件描述符)传递给poll/select系统调用，阻塞在select操作上，这样poll/select可以帮我们监听多个fd是否处于就绪状态，poll/select顺序扫描fd是否就绪，而且支持的fd数量有限，因此它的使用受到了限制。linux还提供了epoll系统调用，epoll使用了基于事件驱动的方式代替顺序扫描，因此性能更高，当有fd就绪时，立即回到哈数rooback。

在这种模式中，首先不是进行read系统调动，而是进行select/epoll系统调用。当然，这里有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到select/epoll的可查询socket列表中。然后，才可以开启整个的IO多路复用模型的读流程。

1.进行select/epoll系统调用，查询可以读的连接。kernel会查询所有select的可查询socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。当用户进程调用了select，那么整个线程会被block（阻塞掉）。

2.用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

3.用户线程才解除block的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

多路复用IO的特点：

IO多路复用模型，建立在操作系统kernel内核能够提供的多路分离系统调用select/epoll基础之上的。多路复用IO需要用到两个系统调用（system call）， 一个select/epoll查询调用，一个是IO的读取调用。

和NIO模型相似，多路复用IO需要轮询。负责select/epoll查询调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，查找出可以进行IO操作的连接。

另外，多路复用IO模型与前面的NIO模型，是有关系的。对于每一个可以查询的socket，一般都设置成为non-blocking模型。只是这一点，对于用户程序是透明的（不感知）。

多路复用IO的优点：

用select/epoll的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O多路复用技术的最大优势是：系统不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

Java的NIO（new IO）技术，使用的就是IO多路复用模型。在linux系统上，使用的是epoll系统调用。

（4）信号驱动IO模型

    应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。信号驱动 I/O 的 CPU 利用率很高.

（5）异步IO（Asynchronous IO）

    异步IO，指的是用户空间与内核空间的调用方式反过来。用户空间线程是变成被动接受的，内核空间是主动调用者。

这一点，有点类似于Java中比较典型的模式是回调模式，用户空间线程向内核空间注册各种IO事件的回调函数，由内核去主动调用。

1.当用户线程调用了read系统调用，立刻就可以开始去做其它的事，用户线程不阻塞。

2.内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

3.kernel会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程read操作完成了。

4.用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

异步IO模型的特点：

在内核kernel的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞)的。用户线程需要接受kernel的IO操作完成的事件，或者说注册IO操作完成的回调函数，到操作系统的内核。所以说，异步IO有的时候，也叫做信号驱动 IO 。

异步IO模型缺点：

需要完成事件的注册与传递，这里边需要底层操作系统提供大量的支持，去做大量的工作。

三、JAVA体系的IO模型

1、 BIO讲解(对应linux中的阻塞IO)

2、 NIO讲解(对应linux中的IO多路复用)

3、AIO讲解(对应linux中的异步IO)

四、IO模型影响的参数：(ulimit 默认1024)

1.句柄限制：

文件句柄:文件(普通文件、目录文件、链接文件、设备文件(socket))描述符是内核为了高效管理已被打开文件所创建的索引，非负整数。指代被打开的文件，所有的IO系统调用，包括SOCKET的读写调用，都是通过文件描述符。

ulimit： 单个进程打开的最大文件句柄数。

报错：Cant open many files。