同步/异步/阻塞/非阻塞 IO

一时失言乱红尘 2022-11-02 11:48 225阅读 0赞

## 前言 ##

对于NIO以及同步异步的理解不是很深刻，对知识点进行了一下梳理，同时推荐一篇不错的文章！

[https://blog.csdn.net/twt936457991/article/details/89668350][https_blog.csdn.net_twt936457991_article_details_89668350]

#### Q1：同步/异步/阻塞/非阻塞 IO 的区别？ ####

同步和异步是通信机制，阻塞和非阻塞是调用状态。  
**同步**  
同步 IO 是用户线程发起 IO 请求后需要**等待或轮询内核 IO 操作完成**后才能继续执行。

**异步**  
异步 IO 是用户线程发起 IO 请求后**可以继续执行，不等待内核 IO 操作的完成**，当内核 IO 操作完成后会通知用户线程，或调用用户线程注册的回调函数。

**阻塞**  
阻塞 IO 是 IO 操作需要彻底完成后才能返回用户空间 。

**非阻塞**  
非阻塞 IO 是 IO 操作调用后立即返回一个状态值，无需等 IO 操作彻底完成。

**对于阻塞的加深理解**：

> 所有的系统 I/O 都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。Java IO 的各种流是阻塞的。这意味着当线程调用 write() 或 read() 时，线程会被阻塞，直到有一些数据可用于读取或数据被完全写入。
> 
> 需要说明的是等待就绪引起的 “阻塞” 是不使用 CPU 的，是在 “空等”；而真正的读写操作引起的“阻塞” 是使用 CPU 的，是真正在”干活”，而且这个过程非常快，属于 memory copy，带宽通常在 1GB/s 级别以上，可以理解为基本不耗时。因此，所谓 “阻塞” 主要是指等待就绪的过程。
> 
> 以socket.read()为例子：
> 
> **传统的阻塞 IO(BIO) 里面 socket.read()，如果接收缓冲区里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。**
> 
> **而对于非阻塞 IO(NIO)，如果接收缓冲区没有数据，则直接返回 0，而不会阻塞；如果接收缓冲区有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户。**
> 
> 说得接地气一点，BIO 里用户最关心 “我要读”，NIO 里用户最关心” 我可以读了”。NIO 一个重要的特点是：socket 主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的 I/O 操作是同步阻塞的（消耗 CPU 但性能非常高）。

#### Q2：什么是 BIO？ ####

**BIO** 是同步阻塞式 IO，JDK1.4 之前的 IO 模型。

服务器实现模式为一个连接请求对应一个线程，服务器需要为每一个客户端请求创建一个线程，如果这个连接不做任何事会造成不必要的线程开销。

可以通过线程池改善，这种 IO 称为伪异步 IO。适用连接数目少且服务器资源多的场景。

--------------------

#### Q3：什么是 NIO？ ####

**NIO** 是 JDK1.4 引入的同步非阻塞 IO。服务器实现模式为多个连接请求对应一个线程，客户端连接请求会注册到一个多路复用器 Selector ，Selector 轮询到连接有 IO 请求时才启动一个线程处理。适用连接数目多且连接时间短的场景。

同步是指线程还是要不断接收客户端连接并处理数据，非阻塞是指如果一个管道没有数据，不需要等待，可以轮询下一个管道。

核心组件：

*  **Selector：** 多路复用器，轮询检查多个 Channel 的状态，判断注册事件是否发生，即判断 Channel 是否处于可读或可写状态。使用前需要将 Channel 注册到 Selector，注册后会得到一个 SelectionKey，通过 SelectionKey 获取 Channel 和 Selector 相关信息。
 *  **Channel：** 双向通道，替换了 BIO 中的 Stream 流，不能直接访问数据，要通过 Buffer 来读写数据，也可以和其他 Channel 交互。
 *  **Buffer：** 缓冲区，本质是一块可读写数据的内存，用来简化数据读写。Buffer 三个重要属性：position 下次读写数据的位置，limit 本次读写的极限位置，capacity 最大容量。
    
     *  `flip` 将写转为读，底层实现原理把 position 置 0，并把 limit 设为当前的 position 值。
     *  `clear` 将读转为写模式（用于读完全部数据的情况，把 position 置 0，limit 设为 capacity）。
     *  `compact` 将读转为写模式（用于存在未读数据的情况，让 position 指向未读数据的下一个）。
     *  通道方向和 Buffer 方向相反，读数据相当于向 Buffer 写，写数据相当于从 Buffer 读。
    
    使用步骤：向 Buffer 写数据，调用 flip 方法转为读模式，从 Buffer 中读数据，调用 clear 或 compact 方法清空缓冲区。

--------------------

1、Channel 和 Buffer

**Buffer** 本质是一个数组,发送到Channel中的所有对象必须放到Buffer中，从Channel读取数据的时候也是把数据放到Buffer中，然后从Buffer中读取。

通常，NIO 中的所有 IO 都从 Channel 开始，Channel 有点类似于 Stream。数据可以从 Channel 读到一个 Buffer 中，也可以从一个 Buffer 写入到一个 Channel 中，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3J1YnVsYWk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
  Channel 和 Buffer 有很多种类型，下面是 Java NIO 中 Channel 的主要实现类：

*  FileChannel
 *  DatagramChannel
 *  SocketChannel
 *  ServerSocketChannel

可以看到，这些 Channel 涵盖了 UDP 和 TCP 的网络 IO 以及文件的 IO。伴随着这些类的还有一些有意思的接口，简单起见这里不做赘述。

下面是 Java NIO 中 Buffer 的主要实现类：

*  ByteBuffer
 *  CharBuffer
 *  DoubleBuffer
 *  FloatBuffer
 *  IntBuffer
 *  LongBuffer
 *  ShortBuffer

这些 Buffer 涵盖了可以通过 IO 传输的基本数据类型：byte、short、int、long、float、double 和 characters。  
 Java NIO 中还有个 MappedByteBuffer，用于内存映射文件。

2、Selectors

**Selector**（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。使用Selector来实现 一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

一个 Selector 允许一个线程处理多个 Channel (的事件)，这对于应用程序中打开了很多个连接(Channel)，但连接中数据传输并不频繁时会很有帮助。例如一个聊天服务器。这有一个线程使用一个 Selector 同时处理3个 Channel 的示意图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3J1YnVsYWk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
  使用 Selector 时需要将 Channel 注册到 Selector 上，然后调用 Selector 的select()方法。这个方法会一直阻塞直到注册的某个 Channel 的某个 event 就绪，一旦这个方法 return，线程就会处理这些事件。这里说的事件有新连接的到来，数据的接收等。

#### Q4：什么是 AIO？ ####

AIO 是 JDK7 引入的异步非阻塞 IO。服务器实现模式为一个有效请求对应一个线程，客户端的 IO 请求都是由操作系统先完成 IO 操作后再通知服务器应用来直接使用准备好的数据。适用连接数目多且连接时间长的场景。

异步是指服务端线程接收到客户端管道后就交给底层处理IO通信，自己可以做其他事情，非阻塞是指客户端有数据才会处理，处理好再通知服务器。

实现方式包括通过 Future 的 `get` 方法进行阻塞式调用以及实现 CompletionHandler 接口，重写请求成功的回调方法 `completed` 和请求失败回调方法 `failed`。

[https_blog.csdn.net_twt936457991_article_details_89668350]: https://blog.csdn.net/twt936457991/article/details/89668350
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3J1YnVsYWk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221024/673625a330e44985bab995ec4f4cb5ce.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3J1YnVsYWk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221024/422e0f5715be4409ab96555ee370bd4c.png