IO模型¶

计算机组成原理中，会接触到冯诺依曼结构。

输入设备	控制器	输出设备
	运算器
	存储器

上面的输入输出就代表了IO的过程

IO主要是磁盘IO和网络IO。

如果每个应用都直接去操作磁盘或者网络的话，操作系统就乱套了，为了将应用程序的执行环境和操作系统内核的执行环境隔离开来，操作系统划分了用户空间和内核空间。

应用运行在用户空间，一些系统性的操作都在内核空间完成，当用户空间的程序想要使用系统性操作，比如操作系统磁盘IO的时候，需要向内核空间发起一次系统调用System Call。

同步阻塞IO模型¶

应用程序发起一个读数据的请求，内核空间去准备数据，数据准备就绪之后，把数据拷贝给应用，这个过程中线程一直处于堵塞状态，这就是同步阻塞IO模型。

同步非阻塞IO模型¶

应用程序发起读IO请求后，会立即返回执行其它的任务，但是需要周期性的轮询去确定数据是否准备好，等到数据准备就绪后，执行从内核空间拷贝数据到用户空间的操作，这个拷贝过程依旧是阻塞的，这个过程比较消耗CPU。

IO多路复用模型¶

Linux中的select、poll、epoll都可以实现IO多路复用模型，在这个模型下，应用程序可以同时监视多个IO操作，当发现有数据准备就绪之后，内核系统会通知应用，这个时候应用再来读取数据，实现从内核空间到用户空间的数据拷贝，这个拷贝过程依旧是阻塞状态。IO多路复用相比轮询方式，显著减少了对CPU的消耗。

select组件¶

select 诞生的技术背景¶

在没有 IO 多路复用机制时，处理多个文件描述符（fd）存在两种性能瓶颈方案：

一是多进程 / 多线程模型，为每个 fd 创建进程或线程，导致进程上下文切换开销大、内存资源占用高，fd 数量多时系统资源易耗尽；

二是非阻塞轮询模型，通过 fcntl 将FD设为非阻塞，然后循环调用 read/write 检查状态，导致 CPU 空转，利用率极低。这两个痛点催生了 select 技术。

select 底层实现原理¶

select 核心通过 fd_set（文件描述符集合，可理解为任务清单）实现，流程分四步：

向 select 提供标记待监听 fd 的 fd_set；
select 将 fd_set 交给内核；
内核轮询检查所有监听 fd，标记就绪的 fd；
内核返回标记后的 fd_set，唤醒进程处理就绪 fd。

select 的核心价值¶

一是实现单进程管理多 fd，通过位图批量监听，无需为每个FD创建进程 / 线程，降低内存占用和上下文切换开销；

二是避免 CPU 空转，进程阻塞在内核态，直到 fd 就绪或超时才返回，提升 CPU 利用率；

三是统一监听多事件类型，通过三个独立 fd_set 分别管理可读、可写、异常事件，效率显著提升。

select 的局限性¶

一是 fd 数量限制，fd_set size 硬限制（默认最多 1024 个 fd），修改需重新编译内核，灵活性差；

二是轮询效率低，内核需遍历所有监听 fd，时间复杂度 O (n)，fd 越多开销越大；

三是数据拷贝开销，每次调用 select 需完成三次 fd_set 的完整拷贝，fd 数量多时拷贝成本高；

四是用户态需重复初始化，select 返回后 fd_set 被内核修改，下次调用前需重新执行 FD_ZERO 和 FD_SET 操作，流程繁琐。

select 的总结与意义¶

select 虽有局限性，但首次标准化了 IO 多路复用的核心逻辑，通过内核批量监听 fd 并反馈就绪状态，为后续 IO 复用技术（如 epoll）奠定基础。理解其设计缺陷有助于掌握后续高级方案的优化思路。

异步IO模型¶

比IO多路复用模型更快的模型，AIO基于回调机制实现。首先也是发起一个读请求，但是会直接返回，接着就不需要再管了，当数据准备完成后会通过回调的方式去做数据的拷贝。

Java¶

File和IO流¶

File类的作用¶

File 类对象可封装要操作的文件，可通过 File 类的对象对文件进行操作，如查看文件的大小、判断文件是否隐藏、判断文件是否可读等。

局限：File类的相关操作，并不涉及文任内容相关的操作，这是单独依靠 File 类对象无法实现的操作，此时需要借助 I/O 流完成。

I/O流的作用¶

将I/0流理解为程序和文件之间的一根两个流向的 “管子〞。

创建I/O流的时候，会传一个文件的路径地址，让程序和文件之间建立一个通道。

I为Input， O为Output，I/0流即输入输出流。

文件上传下载是一片一片的流的形式，避免下载大文件时内存会爆掉。

流：

- inputstream （读文件到内存）

- outputstream （从内存写到nsdata，socket，文件）

数据源：nsdata，socket，文件

O：网络请求下载文件，下载的文件都放在内存会爆的，所以下载一点存储一点。

IO流的分类¶

按照方向划分
输入流、输出流
按照处理单元划分
字节流、字符流
按照功能划分
字节流（一个流）、处理流（多个流）

IO流的体系结构¶

分类	字节输入流	字节输出流	字符输入流	字符输出流
抽象基类	InputStream	OutputStream	Reader	Writer
访问文件	FileInputStream	FileOutputStream	FileReader	FileWriter
访问数组	ByteArrayInputStream	ByteArrayOutputStream	CharArrayReader	CharArrayWriter
访问管道	PipedInputStream	PipedOutputStream	PipedReader	PipedWriter
访问字符串			StringReader	StringWriter
缓冲流	BufferdInputStream	BufferedOutputStream	BufferedReader	BufferedWriter
转换流			InputStreamReader	OutputStreamWriter
对象流	ObjectInputStream	ObjectOutputStream
	FilterInputStream	FilterOutputStream	FilterReader	FilterWriter
打印流		PrintStream		PrintWriter
推回输入流	PushbackInputStream		PushbackReader
数据流	DataInputStream	Data0utputStream

案例¶

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Scanner;

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        while (true) {
            //打印菜单
            System.out.println("-------------欢迎------------------");
            System.out.println("1.展示书籍");
            System.out.println("2.上新书籍");
            System.out.println("3.下架书籍");
            System.out.println("4.退出应用");
            //键盘输入 扫描类
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请录入序号");
            //键盘录入序号
            int choice = sc.nextInt();
            if (choice == 1) {
                System.out.println("[老妈书城]>>>>>1.展示书籍");
                //从文件中读取list
                String s = "C:\\Users\\micha\\Documents\\JavaDemo\\demo.txt";
                File f = new File(s);
                if (f.exists() == true) {//文件存在
                    //流
                    FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
                    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
                    ArrayList list = (ArrayList) (ois.readObject());
                    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
                        Book b = (Book) list.get(i);
                        System.out.println(b.getbNo() + "---" + b.getbName() + "--- " + b.getbAuthor());
                    }
                } else {
                    System.out.println("当前没有上新书籍");
                }
            }
            if (choice == 2) {
                System.out.println("[老妈书城]>>>>>2.上新书籍");
                System.out.println("请录入书籍编号：");
                int bNo = sc.nextInt();
                System.out.println("请录入书籍名字：");
                String bName = sc.next();
                System.out.println("请录入书籍作者：");
                String bAuthor = sc.next();
                Book b = new Book(bNo, bName, bAuthor);


                //从文件中读取list
                String s = "C:\\Users\\micha\\Documents\\JavaDemo\\demo.txt";
                File f = new File(s);
                if (f.exists() == true) {//文件存在
                    //流
                    FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
                    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
                    ArrayList list = (ArrayList) (ois.readObject());
                    list.add(b);
                    //需要流
                    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(f);
                    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
                    //将list写出去
                    oos.writeObject(list);
//关闭流
                    oos.close();
                } else {
                    ArrayList list = new ArrayList();
                    list.add(b);
                    //需要流
                    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(f);
                    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
                    //将list写出去
                    oos.writeObject(list);
                                        //关闭流
                    oos.close();
                }
            }
            if (choice == 3) {
                System.out.println("[老妈书城]>>>>>2.上新书籍");
//                System.out.println("请录入要下架的书籍的编号：");
//                int delNo = sc.nextInt();
//                for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
//                    Book b = (Book) list.get(i);
//                    if (b.getbNo() == delNo) {
//                        list.remove(b);
//                        System.out.println("下架成功");
//                        break;
//                    }
//                }
            }
            if (choice == 4) {
                break;//退出循环
            }
        }
    }
}