【NIO系列】——之IO模型

這是【NIO系列】第二篇，歡迎持續關注:

【NIO系列】——之TCP探祕

上一篇咱們講到了關於TCP/IP協議的一些內容，這些是網絡編程的必備知識。在瞭解NIO以前咱們必需要了解一下對應的系統層IO模型，好比java的NIO對應是那種IO模型，阻塞和同步的差別在哪裏，又是否相同。瞭解了這些更方便咱們的後續的NIO探解。

1、同步、異步、阻塞、非阻塞

同步、異步，阻塞、非阻塞，這四種狀態常有人分不清，主要是這四種狀態的定義自己也不是很明確，因此各類解答的方式都有。常見的分類有如下:

1. 同步阻塞IO

2. 同步非阻塞IO

3. 異步非阻塞IO

針對某種IO模型，咱們如何分類，能夠基於POSIX對同步/異步的定義來判別:

- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

那麼從上咱們能夠看出:

阻塞：是否阻塞主要體如今調用的線程是否能夠幹別的，關注的是程序的等待狀態

同步：是否同步體如今消息通訊機制上 。

也就是說同步和異步說的是消息的通知機制，阻塞非阻塞說的是線程的狀態 。

 

若是說以上的定義依然沒法判別，咱們能夠從輸入操做的兩個階段來看：

通常來講，一個輸入操做一般包括兩個不一樣階段：

（1）等待數據準備好；（2）從內核向進程複製數據。

是否同步的判斷依據是:是否針對的是整個過程，也就是2個階段，是否有阻塞。

是否阻塞的判斷依據是:按程序（線程）等待消息通知時的狀態角度來講的，也就是主要是針對第一階段來講。

 

舉例

咱們舉例來講:

好比說作飯這件事，通常要分爲連個步驟。

一、買菜，準備食材

二、炒菜，作出飯菜

 

方案一：本身動手處理。

一、去超市買菜，準備食材（阻塞，當前時段只能作一件事，且須要持續的等待）

二、回家切菜，炒菜，作出美味飯菜（阻塞，仍是本身來處理）

評價: 方案一同步阻塞。首先階段一是阻塞的，因此認定爲阻塞，兩個階段都是阻塞的，認定爲同步的。

 

方案二：盒馬配送食材，本身作飯

一、網上下單，盒馬配送食材，快遞到了會敲門聯繫你。（非阻塞的，這期間你能夠幹其餘事）

二、拿到菜，切菜、炒菜，作出美味飯菜（阻塞）

評價：方案二爲同步非阻塞。階段一爲非阻塞，認定爲非阻塞。階段二爲阻塞，兩階段中有一個爲阻塞，認定爲同步。

 

方案三：盒馬配送，請阿姨作飯

一、網上下單，盒馬配送食材，快遞到了會敲門聯繫你。（非阻塞的，這期間你能夠幹其餘事）

二、網上請阿姨小時工，幫忙作這一餐，作好通知我。（非阻塞，期間能夠幹其餘事）

評價：方案三爲異步非阻塞。階段一爲非阻塞，認定爲非阻塞。階段二非阻塞，則兩階段中都沒有阻塞，認定爲異步。

那麼是否有異步阻塞IO模型，沒有，要記得異步狀態是包含二個階段的，若是有阻塞的過程，爲什麼還叫異步？

網上有不少介紹有異步阻塞模型的，我目前查到的資料尚未這個證實，如有找到相關論文，還請指教。目前我認爲沒有這個模型的。

 

2、Unix 5種I/O模型

在《UNIX網絡編程：卷一》的第六章書中列出了五種IO模型：

• 阻塞式I/O；

• 非阻塞式I/O；

• I/O複用（select，poll，epoll...）；

• 信號驅動式I/O（SIGIO）；

• 異步I/O（POSIX的aio_系列函數）；

1.阻塞式I/O

同步阻塞 IO 模型是最經常使用的一個模型，也是最簡單的模型。在linux中，默認狀況下全部的socket都是blocking。它符合人們最多見的思考邏輯。

在這個IO模型中，用戶空間的應用程序執行一個系統調用（recvform），這會致使應用程序阻塞，什麼也不幹，直到數據準備好，等待kernel準備好從網絡上接收到的數據報 + 等待收到的報文被從kernel複製到buf中，recvfrom方法纔會返回，最後進程再處理數據。

這就是阻塞式IO模型

 

2.非阻塞式I/O

非阻塞IO時對一個非阻塞描述符循環調用recvfrom，持續的輪詢（polling）,以查看某個操做是否就緒。與阻塞IO不同，"非阻塞將大的整片時間的阻塞分紅N多的小的阻塞, 因此進程不斷地有機會 '被' CPU光顧"。

非阻塞的recvform系統調用調用以後，進程並無被阻塞，內核立刻返回給進程，若是數據還沒準備好，此時會返回一個error。進程在返回以後，能夠乾點別的事情，而後再發起recvform系統調用。如此循環的進行recvform系統調用，檢查內核數據，直到數據準備好，再拷貝數據到進程。拷貝數據整個過程，進程仍然是屬於阻塞的狀態。

這就是非阻塞式IO模型

3.I/O複用

IO multiplexing就是咱們說的select，poll，epoll 。爲什麼叫多路複用，是由於它I/O多路複用能夠同時監聽多個fd，如此就減小了爲每一個須要監聽的fd開啓線程的開銷。

select調用是內核級別的，能夠等待多個socket，能實現同時對多個IO端口進行監聽，當其中任何一個socket的數據準好了，就能返回進行可讀，而後進程再進行recvform系統調用，將數據由內核拷貝到用戶進程，這個過程是阻塞的。

I/O複用模型會用到select、poll、epoll函數，這幾個函數也會使進程阻塞，可是和阻塞I/O所不一樣的的，這幾個函數能夠同時阻塞多個I/O操做`。並且能夠同時對多個讀操做，多個寫操做的I/O函數進行檢測，直到有數據可讀或可寫時（不是等到socket數據所有到達再處理, 而是有了一部分數據就會調用用戶進程來處理），才真正調用I/O操做函數。

IO複用有人把其成爲同步非阻塞的，也有稱爲同步阻塞。其實這個是否阻塞還須要看第一個階段，第一個階段有的阻塞，有的不阻塞。主要也是阻塞在select階段，屬於用戶主動等待階段，咱們且規範爲阻塞狀態，因此，把IO多路複用歸爲同步阻塞模式。

這是IO複用的模型:

 

select、poll、epoll的不一樣

4.信號驅動式I/O

信號驅動式I/O：首先咱們容許Socket進行信號驅動IO,並安裝一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。當數據準備好時，進程會收到一個SIGIO信號，能夠在信號處理函數中調用I/O操做函數處理數據。

也就是說第一個階段，徹底是非阻塞的，等數據到達會給一個信號通知，第二個階段recvfrom仍是阻塞過程，和之上無差別。

信號驅動式I/O 過程以下:

5.異步I/O

異步IO不是順序執行,用戶進程進行aio_read系統調用以後，不管內核數據是否準備好，都會直接返回給用戶進程，而後用戶態進程能夠去作別的事情。等到socket數據準備好了，內核直接複製數據給進程，而後從內核向進程發送通知。IO兩個階段，進程都是非阻塞的。

 

 

總結

針對這5中IO模型，我採用一張圖來總結一下。

 

3、java IO

Unix中的五種I/O模型，除信號驅動I/O外，Java對其它四種I/O模型都有所支持。其中Java最先提供的blocking I/O便是同步阻塞I/O，而NIO便是同步非阻塞I/O，同時經過NIO實現的Reactor模式便是I/O複用模型的實現，經過AIO實現的Proactor模式便是異步I/O模型的實現。

因此說嚴格意義上來講，經過Reactor模式實現的NIO，和unix中的I/O多路複用是相同的概念，但這是一種編程模型，而不是原生支持。這也是咱們下面所要進行的netty講解的主要思想。

 

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