四种IO模型学习介绍

一. 常见IO模型介绍

        同步阻塞IO (Blocking IO)

        同步非阻塞IO (Non-blocking IO)

        IO 多路复用 （IO Multiplexing）

        异步IO (Asynchronous IO)

二. 介绍

        1. 同步阻塞IO (Blocking IO)

                什么是阻塞与非阻塞

                        阻塞IO, 指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间，执行用户的操作。

                        阻塞指的是用户控件程序的执行状态，用户控件程序需等到IO 操作彻底完成。

                        传统的IO模型都是同步阻塞IO。 在Java中，默认创建的Socket都是阻塞的。

                什么是异步与同步

                        同步IO,是一种用户空间和内核空间的调用发起方式。

                        同步IO指用户空间线程是主动发起IO请求的乙方，内核空间是被动接受方。

                        异步IO则相反，指内核Kernel是主动发起IO请求的乙方，用户线程是被动接受方。

                大概流程

                        a. 用户线程调用read系统调用，内核（Kernel） 开始了IO的第一个阶段：准备数据。（需要等待一个完成的Socket数据包）

                        b. 内核等待数据准备完成，将数据从内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后返回结果

                        c. 当开始IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。一直到内核返回结果后，用户线程才接触Block状态，重新运行起来

                        Blocking IO的特点就是内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被Block了。

                优缺点

                        优点：程序相对简单，在阻塞等待数据期间，用户线程被挂起。用户线程基本不会占用CPU资源。

                        缺点：会为每个连接配套一条独立的线程，或者说是一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存,线程切换开销巨大，可用效率低下。

        2.同步非阻塞NIO（Non-nlocking IO）

                定义

                        指得失用户程序不需要等待内核IO操作完成后，内核立即返回给用户一个状态值，用户空间无需等到内核的IO操作彻底完成，可以立即返回给用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。

                        非阻塞IO要求Socket被设置为NONBLOCK。

                        注意这的 NIO（同步非阻塞IO）模型，并非Java的NIO(New IO)库。

                大概流程

                        a. 在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。用户线程需要不断地发起IO系统调用。

                        b. 内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。将数据从内核缓冲区，拷贝到用户空间，然后返回结果。

                        c. 用户线程拿到结果才解除block的状态，重新运行起来。

                优缺点

                        优点：每次的IO系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实用性较好。

                        缺点： 需要不断的重复发起IO系统调用，不断的轮询内核，会占用大量的CPU时间，系统资源利用率较低。

                        由于不断轮询的特点，在高并发的场景下也不可用。很少使用这种模型。

                        注意： 该模型不是JAVA NIO （New IO） ，那是另一种模型，名为IO多路复用。

       3. IO多路复用模型（I/O Multiplexing）

                 解释

                        IO多路复用模型，通过一种新的系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写）, 内核能够通知程序经此能够相应的IO系统调用。

                大概流程

                        在该种模型中， 首先不是进行read系统调动，而是进行select/epoll 系统调用。 有一个前提，需要将目标网络连接，提前注册到select/epoll的可查询socket列表中。然后才能开启整个IO多路复用模型的读流程。

                        a. 进行select/epoll 系统调用，查询可以读的连接。内核会查询所有select的可查询socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回。当用户进程调用了select，那么整个线程会被block。

                        b. 用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。将数据从内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后内核返回结果。

                        c. 用户线程得到内核返回的结果才会解除block的状态，用户线程真正读取到数据，继续执行。

                优缺点

                        优点： select/epoll优势在于，能够同时处理成千上万个连接。与一条线程维护一个连接相比，I/O多路复用技术的最大优势是：系统不必创建线程，也不必维护这些线程，大大减小了系统的开销。

                                Java 的NIO技术，使用的就是 IO多路复用模型。

                        缺点： select/epoll系统的调用，属于同步IO，也是阻塞IO。 都需要再度些时间就绪后，自己负责进行读写，这个读写过程是阻塞的。

                        特点：建立在操作系统内核能够提供的多路分离系统调用select/epoll基础之上的。多路复用IO需要用到两个系统调用，select/epoll 查询调用， IO的读取调用。

                                多路复用 IO需要轮询，负责select/epoll查询调用的线程，要不断地进行select/epoll轮询，查找出可以进行IO操作的连接。

                                对于每一个可以查询的socket，一般都设置成为non-blocking 模型，这一点对于用户程序是透明的（不感知）。

        4.异步IO模型（Asynchronous IO）

                定义

                        异步IO，指的是用户空间与内核空间的调用方式反过来。用户空间线程是变成被动接受的，内核空间是主动调用者。 简称 AIO

                 大概流程

                        a. 用户线程调用了read系统调用，立刻可以开始做其他事情，用户线程不在阻塞。

                        b. 内核开始IO的第一个姐u但：准备数据。当内核以后i等到数据准备好，会将数据从内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。

                        c. 内核会给用户线程发送一个个信号（Signal）,或者回调用户线程注册的回调接口，考试用户线程read操作完成了

                        d. 用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。

                优缺点

                        优点：在内核的等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞) 的。用户线程需要接收内核的IO操作完成的事件，或者说注册IO操作完成的回调函数，到操作系统的内核。 异步IO 有时候也叫做信号驱动 IO。

                        缺点：需要完成事件的注册与传递，需要底层操作系统提供大量的支持，做大量的工作。  （目前并不完善）

三.总结

        四种IO模型，理论上越往后，阻塞越少，效率也是最优。在这四种 I/O 模型中，前三种属于同步 I/O，因为其中真正的 I/O 操作将阻塞线程。只有最后一种，才是真正的异步 I/O 模型，目前Linux 操作系统尚欠完善。

学习内容借鉴什么是NIO？10分钟带你看懂IO和NIO底层原理_io nio_程序猿七度的博客-优快云博客