理解同步,異步,阻塞,非阻塞,多路複用,事件驅動IO

如下是IO的一個基本過程

 

先理解一下用戶空間和內核空間，系統爲了保護內核數據，會將尋址空間分爲用戶空間和內核空間，32位機器爲例，高1G字節做爲內核空間，低3G字節做爲用戶空間。當用戶程序讀取數據的時候，會經歷兩個過程：磁盤到內核空間（這塊消耗性能，下面簡稱內核數據準備），內核空間拷貝到用戶空間（下面簡稱用戶空間拷貝）。

 

 

內核數據準備這部分是由DMA芯片實現的，而用戶空間拷貝的實現則是由CPU實現的，後者很是快，能到1G以上，因此，所謂的阻塞基本是內核數據準備的過程，這塊消耗時間。爲啥呢？簡單的理解就是，磁盤和內核緩存的速度自己就存在很大的差距。

基於這個前提，聊一下同步異步IO，阻塞非阻塞IO

同步異步是基於任務序列可靠性的角度區分，當一個任務依賴另一個任務時，

同步就是，只有等被依賴的任務完成以後，依賴任務纔算完成，是一種可靠任務序列。好比打電話。

異步就是，只是通知被依賴任務去作某件事情，由被依賴任務完成以後通知依賴任務，可是不能保證被依賴任務完成，是一個不可靠任務序列。好比發短信。

同步異步的選擇其實就是可靠性和性能以前的取捨和平衡。

 

而阻塞非阻塞則是從CPU消耗的角度去區分。

阻塞就是讓CPU閒置，等IO等慢操做完成以後再繼續。

非阻塞則是在等IO等慢操做的完成的同時，CPU去作一些其餘事情。存在上下文切換。

阻塞非阻塞的選擇就是在CPU利用率和系統切換成本之間的平衡。

 

上面四者兩兩組合狀況以下

 

接下來了解一下linux下的幾種IO模型

當咱們進行IO操做的時候，若是被調用者將任務所有執行完返回，稱爲同步/阻塞 IO。

 

若是被調用者，無論沒有操做成功，直接返回一個結果碼，可是再也不主動通知後續結果，稱爲非阻塞IO；這種狀況下須要重複調用查詢狀態。

 

若是被調用者，無論有沒有操做成功，直接返回個結果碼，等到所有操做完成以後再發一個信號通知調用者，稱爲異步IO。

 

舉個例子：

家裏有個專門幫忙作飯的阿姨，有一天我想喝水了，我讓阿姨幫忙燒一壺水。

我看着她去燒水，灌水，給我倒水，期間沒有作其餘任何事情，這就是同步。

我想着也不用一直等，能夠先看會兒電視，我就隔一下子來看一次，隔一下子來看一次，這叫非阻塞。

再想一想，這也煩，我索性跟阿姨說，好了叫我一聲，而後就去看電視去了，這叫異步。

 

而IO多路複用，信號驅動IO則是基於前面四個模型的衍生。

IO多路複用是基於阻塞IO的衍生，主要是爲了提升內核空間數據準備這一塊的功能複用，即阻塞的同時監聽多個端口，有一個端口有數據就進行處理，提升性能。

 

信號驅動IO則是在內核空間數據準備這一塊採用異步，在用戶空間拷貝這一塊採用同步。

 

 

Java中的IO則分爲如下幾種

同步阻塞IO（Java IO）

l  用戶進程發起一個IO操做以後，必須等待IO操做完成。

同步非阻塞IO（Java NIO）

l  用戶發起一個IO操做以後，返回作其餘事情，時不時的去詢問IO是否就緒。

多路複用IO

l  用戶發起一個IO操做以後，返回，等內核完成IO以後通知應用程序，這裏的阻塞是指返回以後並無作其餘是，而是一併監聽多個文件句柄，在select函數中，提升系統併發性。

異步非阻塞IO（Java NIO2）

l  用戶發起一個IO操做以後，返回，等待 內核數據準備 和 用戶空間拷貝都完成以後通知應用進程，中有實現。

 

 

NIO中的概念

Buffer：高效的數據容器，除了布爾類型，全部數據類型都有相應的Buffer實現。

Channel：做用相似Linux系統中的文件描述符，是用於支持抽象批量IO的一種抽象。相對於File/Socket：Channel是更加接近操做系統底層的一種抽象。

Selector：是NIO中多路複用的基礎，能夠同時檢測註冊在Selector上的多個Channel，進而對準備好的任一Channel進行處理。（這部分在linux中依賴epoll，windows上依賴iocp）

Charset,提供了字符編解碼器，能夠實現字符到ByteBuffer的轉換。

內存映射：能夠將內核空間地址和用戶空間地址映射到同一物理地址

 

零拷貝技術：數據只在內核空間流轉，沒有通過用戶空間。