Nio VS Bio

1. stream vs 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

2. IO模型

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞

同步：线程自己去获取结果（一个线程）
异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）
当调用一次channel.read或stream.read后，会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
阻塞IO
非阻塞IO
多路复用
信号驱动:异步IO
阻塞IOvs多路复用

3. 零拷贝

3.1 传统IO问题

传统的IO将一个文件通过socket写出:

java

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);

内部工作流程是这样的：
Alt text

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。
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

3.2 NIO优化

通过DirectByteBuf直接使用操作系统内存作为缓存：
- ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是java内存
- ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
Alt text 大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java可以使用DirectByteBuf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
- DirectByteBuf对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 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（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
Alt text

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

可以看到：
- 只发生了一次用户态与内核态的切换
- 数据拷贝了3次

进一步优化（linux 2.4）：
Alt text

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一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了2次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有
- 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

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。在2007年引入2.6.22+版本：通过io_uring原生实现了真正的内核级异步I/O

Nio VS Bio ​

1. stream vs channel ​

2. IO模型 ​

3. 零拷贝 ​

3.1 传统IO问题 ​

3.2 NIO优化 ​

4. AIO ​