經常使用4種IO模型（同步/異步/阻塞/非阻塞的概念）

常見的IO模型有四種：

服務器端編程常常須要構造高性能的IO模型

（1）同步阻塞IO（Blocking IO）：即傳統的IO模型。
（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默認建立的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設置爲NONBLOCK。
    注意這裏所說的NIO並不是Java的NIO（New IO）庫。

（3）IO多路複用（IO Multiplexing）：即經典的Reactor設計模式，有時也稱爲異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。
（4）異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式，也稱爲異步非阻塞IO。
（5）基於信號驅動的IO（Signal Driven IO）模型，因爲該模型並不經常使用（略）

在理解關於同步和阻塞的概念前，須要知道

I/0 操做 主要分紅兩部分
① 數據準備，將數據加載到內核緩存（數據加載到操做系統）
② 將內核緩存中的數據加載到用戶緩存（從操做系統複製到應用中）

同步和異步的概念描述的是用戶線程與內核的交互方式

阻塞和非阻塞的概念描述的是用戶線程調用內核IO操做的方式

異步就是異步

來源：關於同步、異步與阻塞、非阻塞的理解

同步和異步針對應用程序來，關注的是程序中間的協做關係；

阻塞與非阻塞更關注的是單個進程的執行狀態。

　阻塞、非阻塞、多路IO複用，都是同步IO，異步一定是非阻塞的，因此不存在異步阻塞和異步非阻塞的說法。
真正的異步IO須要CPU的深度參與。換句話說，只有用戶線程在操做IO的時候根本不去考慮IO的執行所有都交給CPU去完成，
而本身只等待一個完成信號的時候，纔是真正的異步IO。
因此，拉一個子線程去輪詢、去死循環，或者使用select、poll、epool，都不是異步。

PS：

1，異步是一個相對概念，實際應用中沒有絕對的異步，現實中更多稱爲「異步」只是表明阻塞。
2，不一樣場合，語言環境，概念不同，有時候同步就表明了阻塞，異步表示非阻塞。若是細分的話，表明不一樣含義。

PS：【同步/異步】和【阻塞/非阻塞】的關注點是存在區別的：

【同步/異步】表示是兩個事件交互的是否有序依賴關係
同步：針對執行結果，A事件必須知道B事件的結果M後才執行獲得結果。
異步：針對執行結果，執行A事件和執行B事件沒有關係。

阻塞/非阻塞表示執行過程出現的狀態
阻塞：針對執行者來講，執行A事件，執行過程由於條件未知足，執行狀態變成等待狀態。
非阻塞：針對執行者來講，就是事件A執行遇到未知足條件，執行另外獨立的C事件。

總結：二者之間是沒有關係的
【同步/異步】
   概念上是：事件A，B的結果之間的是否存在依賴關係；
   影響上是：保證依賴數據的正確性
【阻塞/非阻塞】
   概念上是：自身執行狀態。
   影響上是：阻塞致使資源浪費。

特別注意：異步只有異步，同步纔有阻塞和非阻塞的說法！

例子：
總總體看：傳統的請求，是同步的（也是阻塞的），請求響應是有序的(請求響應之間也是等待的）；AJAX是異步請求（也是非阻塞的）。
同步不等於阻塞：
單個看：AJAX從客戶端執行單個請求看數據是同步，可是執行是非阻塞，在未收到響應繼續執行其餘請求。

 

1、同步阻塞IO

同步阻塞IO模型是最簡單的IO模型，用戶線程在內核進行IO操做時被阻塞。

 

用戶線程經過系統調用read發起IO讀操做，由用戶空間轉到內核空間。

內核等到數據包到達後，而後將接收的數據拷貝到用戶空間，完成read操做。

2、同步非阻塞IO

同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基礎上，將socket設置爲NIO(NONBLOCK)。

這樣作用戶線程能夠在發起IO請求後能夠當即返回。

因爲socket是非阻塞的方式，所以用戶線程發起IO請求時當即返回。

但並未讀取到任何數據，用戶線程須要不斷地發起IO請求，直到數據到達後，才真正讀取到數據，繼續執行。

3、IO多路複用

IO多路複用模型是創建在內核提供的多路分離函數select基礎之上的，

使用select函數能夠避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題。

用戶首先將須要進行IO操做的socket添加到select中，而後阻塞等待select系統調用返回。
當數據到達時，socket被激活，select函數返回。用戶線程正式發起read請求，讀取數據並繼續執行。

從流程上來看，使用select函數進行IO請求和同步阻塞模型沒有太大的區別，
甚至還多了添加監視socket，以及調用select函數的額外操做，效率更差。
可是，使用select之後最大的優點是用戶能夠在一個線程內同時處理多個socket的IO請求。
用戶能夠註冊多個socket，而後不斷地調用select讀取被激活的socket，便可達到在同一個線程內同時處理多個IO請求的目的。
而在同步阻塞模型中，必須經過多線程的方式才能達到這個目的。

然而，使用select函數的優勢並不只限於此。
雖然上述方式容許單線程內處理多個IO請求，可是每一個IO請求的過程仍是阻塞的（在select函數上阻塞），平均時間甚至比同步阻塞IO模型還要長。
若是用戶線程只註冊本身感興趣的socket或者IO請求，而後去作本身的事情，等到數據到來時再進行處理，則能夠提升CPU的利用率。

IO多路複用模型使用了Reactor設計模式實現了這一機制。

補充：IO多路複用又叫「事件驅動」

首先，要從你經常使用的IO操做談起，好比read和write，一般IO操做都是阻塞I/O的，也就是說當你調用read時，
若是沒有數據收到，那麼線程或者進程就會被掛起，直到收到數據。

這樣，當服務器須要處理1000個鏈接的的時候，並且只有不多鏈接忙碌的，
那麼會須要1000個線程或進程來處理1000個鏈接，而1000個線程大部分是被阻塞起來的。
因爲CPU的核數或超線程數通常都不大，好比4,8,16,32,64,128，好比4個核要跑1000個線程，那麼每一個線程的時間槽很是短，而線程切換很是頻繁。
這樣是有問題的：
1，線程是有內存開銷的，1個線程可能須要512K（或2M）存放棧，那麼1000個線程就要512M（或2G）內存。
2，線程的切換，或者說上下文切換是有CPU開銷的，當大量時間花在上下文切換的時候，分配給真正的操做的CPU就要少不少。

那麼，咱們就要引入非阻塞I/O的概念，非阻塞IO很簡單，經過fcntl（POSIX）或ioctl（Unix）設爲非阻塞模式，
這時，當你調用read時，若是有數據收到，就返回數據，若是沒有數據收到，就馬上返回一個錯誤，如EWOULDBLOCK。
這樣是不會阻塞線程了，可是你仍是要不斷的輪詢來讀取或寫入。

因而，咱們須要引入IO多路複用的概念。
多路複用是指使用一個線程來檢查多個文件描述符（Socket）的就緒狀態，好比調用select和poll函數，傳入多個文件描述符，
若是有一個文件描述符就緒，則返回，不然阻塞直到超時。
獲得就緒狀態後進行真正的操做能夠在同一個線程裏執行，也能夠啓動線程執行（好比使用線程池）。

這樣在處理1000個鏈接時，只須要1個線程監控就緒狀態，對就緒的每一個鏈接開一個線程處理就能夠了，
這樣須要的線程數大大減小，減小了內存開銷和上下文切換的CPU開銷。

4、異步IO

「真正」的異步IO須要操做系統更強的支持。
在IO多路複用模型中，事件循環將文件句柄的狀態事件通知給用戶線程，由用戶線程自行讀取數據、處理數據。
而在異步IO模型中，當用戶線程收到通知時，數據已經被內核讀取完畢，並放在了用戶線程指定的緩衝區內，內核在IO完成後通知用戶線程直接使用便可。

 

異步IO模型使用了Proactor設計模式實現了這一機制。

相比於IO多路複用模型，異步IO並不十分經常使用，很多高性能併發服務程序使用IO多路複用模型+多線程任務處理的架構基本能夠知足需求。
何況目前操做系統對異步IO的支持並不是特別完善，更多的是採用IO多路複用模型模擬異步IO的方式
（IO事件觸發時不直接通知用戶線程，而是將數據讀寫完畢後放到用戶指定的緩衝區中）。
Java7以後已經支持了異步IO，感興趣的讀者能夠嘗試使用。

 

NIO技術概覽 

Socket高性能IO模型淺析

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 網絡編程：Reactor與Proactor的概念