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I/O模型的解析

什么是同步?什么是异步?

  同步就是:如果有多个任务或者事件要发生,这些任务或者事件必须逐个地进行,一个事件或者任务的执行会导致整个流程的暂时等待,这些事件没有办法并发地执行;

  异步就是:如果有多个任务或者事件发生,这些事件可以并发地执行,一个事件或者任务的执行不会导致整个流程的暂时等待。

void fun1() {
        

    
void fun2() {
        

    
void function(){
    fun1(); 
    fun2(); 
    ..... 
    ..... 
}
这段代码就是典型的同步,在方法function中,fun1在执行的过程中会导致后续的fun2无法执行,fun2必须等待fun1执行完毕才可以执行。

void fun1() { 
      

  
void fun2() { 
      

  
void function(){ 
    new Thread(){ 
        public void run() { 
            fun1(); 
        } 
    }.start(); 
      
    new Thread(){ 
        public void run() { 
            fun2(); 
        } 
    }.start(); 
 
    ..... 
    ..... 
}
这段代码是一种典型的异步,fun1的执行不会影响到fun2的执行,并且fun1和fun2的执行不会导致其后续的执行过程处于暂时的等待。
(上面使用多线程实现异步操作,并不是说只有多线程下才会实现异步操作,而是多线程时实现异步操作的一种方式而已)

什么是阻塞?什么是非阻塞?

     在前面介绍了同步和异步的区别,这一节来看一下阻塞和非阻塞的区别。

  阻塞就是:当某个事件或者任务在执行过程中,它发出一个请求操作,但是由于该请求操作需要的条件不满足,那么就会一直在那等待,直至条件满足;

  非阻塞就是:当某个事件或者任务在执行过程中,它发出一个请求操作,如果该请求操作需要的条件不满足,会立即返回一个标志信息告知条件不满足,不会一直在那等待。

  这就是阻塞和非阻塞的区别。也就是说阻塞和非阻塞的区别关键在于当发出请求一个操作时,如果条件不满足,是会一直等待还是返回一个标志信息。

什么是阻塞IO(BIO)? 什么是非阻塞IO(NIO)?

通常来说,IO操作包括:对硬盘的读写、对socket的读写以及外设的读写。

  当用户线程发起一个IO请求操作(本文以读请求操作为例),内核会去查看要读取的数据是否就绪,对于阻塞IO来说,如果数据没有就绪,则会一直在那等待,直到数据就绪;对于非阻塞IO来说,如果数据没有就绪,则会返回一个标志信息告知用户线程当前要读的数据没有就绪。当数据就绪之后,便将数据拷贝到用户线程,这样才完成了一个完整的IO读请求操作,也就是说一个完整的IO读请求操作包括两个阶段:

  1)查看数据是否就绪;

  2)进行数据拷贝(内核将数据拷贝到用户线程)。

  那么阻塞(blocking IO)和非阻塞(non-blocking IO)的区别就在于第一个阶段,如果数据没有就绪,在查看数据是否就绪的过程中是一直等待,还是直接返回一个标志信息。


五种IO模型

五种IO模型包括:阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路转接、异步IO。其中,前四个被称为同步IO。

阻塞IO模型

当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而此时的用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU(失去了CPU执行权)。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态(解除当前线程的阻塞状态,此时线程会进入CPU就绪状态,等待下一次获取CPU执行权)。

典型的阻塞IO模型的例子为:

data = socket.read(); 
 如果数据没有就绪,就会一直阻塞在read方法。

非阻塞IO模型

  当用户线程发起一个read操作后,并不需要等待(线程在执行过程中可以正常的获取CPU执行权,不会因为阻塞而失去获取CPU执行权的机会),而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回,此时当前的用户线程才算把任务执行完。
while(true){ 
    data = socket.read(); 
    if(data!= error){ 
        处理数据 
        break; 
    } 
}

但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题,在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU占用率非常高(CPU会一直在工作),因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。


多路复用IO模型

     多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。

  在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket的状态,只有当socket真正有读写事件时,才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket读写事件进行时,才会使用IO资源,所以它大大减少了资源占用。

  在Java NIO中,是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件,如果没有事件,则一直阻塞在那里,因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

信号驱动IO模型

     在信号驱动IO模型中,当用户线程发起一个IO请求操作,会给对应的socket注册一个信号函数,然后用户线程会继续执行,当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程,用户线程接收到信号之后,便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

异步IO模型

     异步IO模型才是最理想的IO模型,在异步IO模型中,当用户线程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从内核的角度,当它收到一个asynchronous read之后,它会立刻返回,说明read请求已经成功发起了,因此不会对用户线程产生任何block。然后,内核会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户线程,当这一切都完成之后,内核会给用户线程发送一个信号,告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要知道实际的整个IO操作是如何进行的,只需要先发起一个请求,当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成,可以直接去使用数据了。

  也就说在异步IO模型中,IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程,这两个阶段都是由内核自动完成,然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的,在信号驱动模型中,当用户线程接收到信号表示数据已经就绪,然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作;而在异步IO模型中,收到信号表示IO操作已经完成,不需要再在用户线程中调用iO函数进行实际的读写操作。

2019-10-28