JAVA 中BIO,NIO,AIO的淺解

 

在高性能的IO體系設計中，如下幾個常見的概念須要咱們理解： 

序號	問題
1	什麼是同步？
2	什麼是異步？
3	什麼是阻塞？
4	什麼是非阻塞？
5	什麼是同步阻塞？
6	什麼是同步非阻塞？
7	什麼是異步阻塞？
8	什麼是異步非阻塞？

首先得明白什麼是同步，異步，阻塞，非阻塞，只有這幾個單個概念理解清楚了，而後在組合理解起來，就相對比較容易了。 

1,同步和異步是針對應用程序和內核的交互而言的。 

2,阻塞和非阻塞是針對於進程在訪問數據的時候，根據IO操做的就緒狀態來採起的不一樣方式，說白了是一種讀取或者寫入操做函數的實現方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數將一直等待，而非阻塞方式下，讀取或者寫入函數會當即返回一個狀態值。  

由上描述基本能夠總結一句簡短的話，同步和異步是目的，阻塞和非阻塞是實現方式。 

 

編號	名詞	解釋	舉例
1	同步	指的是用戶進程觸發IO操做並等待或者輪詢的去查看IO操做是否就緒	本身上街買衣服，本身親自幹這件事，別的事幹不了。
2	異步	異步是指用戶進程觸發IO操做之後便開始作本身的事情，而當IO操做已經完成的時候會獲得IO完成的通知（異步的特色就是通知）	告訴朋友本身合適衣服的尺寸，大小，顏色，讓朋友委託去賣，而後本身能夠去幹別的事。（使用異步IO時，Java將IO讀寫委託給OS處理，須要將數據緩衝區地址和大小傳給OS）
3	阻塞	所謂阻塞方式的意思是指, 當試圖對該文件描述符進行讀寫時, 若是當時沒有東西可讀,或者暫時不可寫, 程序就進入等待 狀態, 直到有東西可讀或者可寫爲止	去公交站充值，發現這個時候，充值員不在（可能上廁所去了），而後咱們就在這裏等待，一直等到充值員回來爲止。（固然現實社會，可不是這樣，可是在計算機裏確實如此。）
4	非阻塞	非阻塞狀態下, 若是沒有東西可讀, 或者不可寫, 讀寫函數立刻返回, 而不會等待，	銀行裏取款辦業務時，領取一張小票，領取完後咱們本身能夠玩玩手機，或者與別人聊聊天，當輪咱們時，銀行的喇叭會通知，這時候咱們就能夠去了。

同步阻塞IO（JAVA BIO）： 
    同步並阻塞，服務器實現模式爲一個鏈接一個線程，即客戶端有鏈接請求時服務器端就須要啓動一個線程進行處理，若是這個鏈接不作任何事情會形成沒必要要的線程開銷，固然能夠經過線程池機制改善。 

同步非阻塞IO(Java NIO) ： 同步非阻塞，服務器實現模式爲一個請求一個線程，即客戶端發送的鏈接請求都會註冊到多路複用器上，多路複用器輪詢到鏈接有I/O請求時才啓動一個線程進行處理。用戶進程也須要時不時的詢問IO操做是否就緒，這就要求用戶進程不停的去詢問。 

異步阻塞IO（Java NIO）：  
   此種方式下是指應用發起一個IO操做之後，不等待內核IO操做的完成，等內核完成IO操做之後會通知應用程序，這其實就是同步和異步最關鍵的區別，同步必須等待或者主動的去詢問IO是否完成，那麼爲何說是阻塞的呢？由於此時是經過select系統調用來完成的，而select函數自己的實現方式是阻塞的，而採用select函數有個好處就是它能夠同時監聽多個文件句柄（若是從UNP的角度看，select屬於同步操做。由於select以後，進程還須要讀寫數據），從而提升系統的併發性！  


（Java AIO(NIO.2)）異步非阻塞IO:  
   在此種模式下，用戶進程只須要發起一個IO操做而後當即返回，等IO操做真正的完成之後，應用程序會獲得IO操做完成的通知，此時用戶進程只須要對數據進行處理就行了，不須要進行實際的IO讀寫操做，由於真正的IO讀取或者寫入操做已經由內核完成了。    

BIO、NIO、AIO適用場景分析: 

    BIO方式適用於鏈接數目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，併發侷限於應用中，JDK1.4之前的惟一選擇，但程序直觀簡單易理解。 

    NIO方式適用於鏈接數目多且鏈接比較短（輕操做）的架構，好比聊天服務器，併發侷限於應用中，編程比較複雜，JDK1.4開始支持。 

    AIO方式使用於鏈接數目多且鏈接比較長（重操做）的架構，好比相冊服務器，充分調用OS參與併發操做，編程比較複雜，JDK7開始支持。 

搞清楚了以上概念之後，咱們再回過頭來看看，Reactor模式和Proactor模式。  
  
（其實阻塞與非阻塞均可以理解爲同步範疇下才有的概念，對於異步，就不會再去分阻塞非阻塞。對於用戶進程，接到異步通知後，就直接操做進程用戶態空間裏的數據好了。）  
  
首先來看看Reactor模式，Reactor模式應用於同步I/O的場景。咱們分別以讀操做和寫操做爲例來看看Reactor中的具體步驟：  
讀取操做：  
1. 應用程序註冊讀就緒事件和相關聯的事件處理器  
  
2. 事件分離器等待事件的發生  
  
3. 當發生讀就緒事件的時候，事件分離器調用第一步註冊的事件處理器  
  
4. 事件處理器首先執行實際的讀取操做，而後根據讀取到的內容進行進一步的處理  
  
寫入操做相似於讀取操做，只不過第一步註冊的是寫就緒事件。  
   
  
下面咱們來看看Proactor模式中讀取操做和寫入操做的過程：  
讀取操做：  
1. 應用程序初始化一個異步讀取操做，而後註冊相應的事件處理器，此時事件處理器不關注讀取就緒事件，而是關注讀取完成事件，這是區別於Reactor的關鍵。  
  
2. 事件分離器等待讀取操做完成事件  
  
3. 在事件分離器等待讀取操做完成的時候，操做系統調用內核線程完成讀取操做（異步IO都是操做系統負責將數據讀寫到應用傳遞進來的緩衝區供應用程序操做，操做系統扮演了重要角色），並將讀取的內容放入用戶傳遞過來的緩存區中。這也是區別於Reactor的一點，Proactor中，應用程序須要傳遞緩存區。  
  
4. 事件分離器捕獲到讀取完成事件後，激活應用程序註冊的事件處理器，事件處理器直接從緩存區讀取數據，而不須要進行實際的讀取操做。  
  
Proactor中寫入操做和讀取操做，只不過感興趣的事件是寫入完成事件。  
  
從上面能夠看出，Reactor和Proactor模式的主要區別就是真正的讀取和寫入操做是有誰來完成的，Reactor中須要應用程序本身讀取或者寫入數據，而Proactor模式中，應用程序不須要進行實際的讀寫過程，它只須要從緩存區讀取或者寫入便可，操做系統會讀取緩存區或者寫入緩存區到真正的IO設備.  
   
          綜上所述，同步和異步是相對於應用和內核的交互方式而言的，同步 須要主動去詢問，而異步的時候內核在IO事件發生的時候通知應用程序，而阻塞和非阻塞僅僅是系統在調用系統調用的時候函數的實現方式而已。