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1.1 基础知识

首先我们知道进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。

这里数据的两次拷贝都需要时间，而这两端时间中进程和内核的状态不一样就产生了下面五种i/o模型：

• 阻塞I/O
  对于内核而言，网络中的数据并不一定马上可读，所以内核要等到数据准备好了往内核读。然后再将读取完成的内核数据拷贝给用户。而这期间用户线程也是一直在等待读取数据，不能够做其他事。
  

• 非阻塞I/O
  所以我们就想，能不能让用户线程不要那么傻，一直在哪里等。当用户发送时，内核缓存数据准备好没有给个准话，当时就直接返回信息0或者1.要是0的用户就做其他事，然后再来问。要是1的话就直接开始将数据拷贝到用户缓存区。
  

• I/O复用
  在上面的模型中，我们针对的是一个process对应一个i/o。那如果用户进程调用了多个i/o呢？当然我们可以采用前面两种方式一个接一个的完成i/o操作。那能不能有一种方式对这多个i/o进行选择呢？比如谁准备好了就先调用谁？这里就是我们的i/o复用了。用户通过select这个函数不断轮询所有它负责的socket连接。这里需要注意的是，虽然第一阶段都是阻塞，但是阻塞式I/O如果要接收更多的连接，就必须创建更多的线程。I/O复用模式下在第一个阶段大量的连接统统都可以过来直接注册到Selector复用器上面，同时只要单个或者少量的线程来循环处理这些连接事件就可以了，一旦达到“就绪”的条件，就可以立即执行真正的I/O操作。而且并不是说性能方面复用就一定优于阻塞，前者只是更加适合于需要大量连接的场景。
  

• 信号驱动的I/O
  首先用户进程建立SIGIO信号处理程序，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数，这时用户进程便可以做其他的事了，一旦数据准备好，系统便为该进程生成一个SIGIO信号，去通知它数据已经准备好了，于是用户进程便调用recvfrom把数据从内核拷贝出来，并返回结果。
  

• 异步I/O
  前面四种模型在最后一步真正的I/O操作是同步阻塞（拷贝数据）。但是异步I/O中当用户进程向内核发起某个操作后，会立刻得到返回，并把所有的任务都交给内核去完成（包括将数据从内核拷贝到用户自己的缓冲区），内核完成之后，只需返回一个信号告诉用户进程已经完成就可以了。
  

换种方式理解，最初的io模型中，关注的信息是->我要读写了。这种情况下，等待数据准备好和拷贝数据都阻塞，然后进一步的nio模型中，关注的信息是->我可以读写了。这种情况下socket主要的读、写、注册和接收函数在等待的时候都是非阻塞的，只是在最后的拷贝阶段是同步阻塞的。但性能非常高。然后最新的aio中，最后一步操作都是非阻塞的。完成后直接给线程一条数据准备完成的信号就可以了。

1.2零拷贝技术

CPU不执行数据从一个存储区域到另一个存储区域的拷贝任务，这通常用于在网络上传输文件时节省CPU周期和内存带宽。
首先我们需要知道的大多数文件系统的默认 IO 操作都是缓存 IO。也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。也就是说在一次网络传输过程中，数据大概会经历四次copy：

其中还发生了多次上下文切换，这样确实加大了cpu的负担，我们可以怎样优化呢？

• 如果说数据在这个过程并没有做任何修改->上述来回拷贝数据就是一种浪费
  采用mmap()代替read(),就是将内核缓冲区与应用程序共享，这样就不需要把内核缓冲区的内容往用户空间拷贝。应用程序再调用 write(),操作系统直接将内核缓冲区的内容拷贝到 socket缓冲区中，这一切都发生在内核态，最后， socket缓冲区再把数据发到网卡去：

1. 首先（通过DMA）将数据从磁盘读取到kernel buffer中；
2. 然后将kernel buffer拷贝到socket buffer中；
3. 最后将socket buffer中的数据copy到网卡设备（protocol engine）中发送；
   
   很显然这样减少了一次拷贝
   当然还可以继续优化。我们还可以直接将数据直接由内存写入socket buffer(或者说将kernel buffer和socket buffer合并)这样就形成了真正的零拷贝。
   具体实现：
4. 将文件拷贝到kernel buffer中；
5. 向socket buffer中追加当前要发生的数据在kernel buffer中的位置和偏移量；
6. 根据socket buffer中的位置和偏移量直接将kernel buffer的数据copy到网卡设备（protocol engine）中；

1.3NIO 直接缓冲区和非直接缓冲区

非直接缓冲区是直接通过拷贝的形式传递的，如从磁盘读取文件到物流空间，然后拷贝到jvm，再读取数据。直接缓冲区是通过物流内存映射文件直接传递的
正常情况下，JVM创建一个缓冲区的时候，实际上做了如下几件事：

1. JVM确保Heap区域内的空间足够，如果不够则使用触发GC在内的方法获得空间;
2. 获得空间之后会找一组堆内的连续地址分配数组, 这里需要注意的是，在物理内存上，这些字节是不一定连续的;
3. 对于不涉及到IO的操作，这样的处理没有任何问题，但是当进行IO操作的时候就会出现一点性能问题.

所有的IO操作都需要操作系统进入内核态才行，而JVM进程属于用户态进程, 当JVM需要把一个缓冲区写到某个Channel或Socket的时候，需要切换到内核态.
而内核态由于并不知道JVM里面这个缓冲区存储在物理内存的什么地址，并且这些物理地址并不一定是连续的(或者说不一定是IO操作需要的块结构)，所以在切换之前JVM需要把缓冲区复制到物理内存一块连续的内存上, 然后由内核去读取这块物理内存，整合成连续的、分块的内存.
也就是说如果我们这个时候用的是非直接缓存的话，我们还要进行“复制”这么一个操作，而当我们申请了一个直接缓存的话，因为他本是就是一大块连续地址，我们就可以直接在它上面进行IO操作，省去了“复制”这个步骤
当然缺点也是有的，他的分配和释放都比较昂贵，而且容易发生内存泄露。

Java NIO

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