IO操作中的同步/异步、阻塞/非阻塞的含义

前言

学好IO是java程序员从初级到高级进阶学习的必经之路，像Netty这种优秀网络框架是必须要学习的，说到Netty就离不开java的IO模型，我们知道BIO、NIO、AIO分别是同步阻塞IO、同步非阻塞IO、异步非阻塞IO，那么这里说的同步和异步、阻塞和非阻塞指的是什么呢？

同步和异步

在java IO世界所说的同步和异步是一个针对用户态和内核态的概念，用户程序要想发送数据要经过下面的步骤：

1. 应用程序将要发送的内容写入用户内存空间
2. 应用程序向操作系统内核发送系统调用
3. 操作系统内核将用户空间中的数据读取到内核缓冲区
4. 操作系统通知网卡读取内核缓冲区的数据，此时CPU可以处理其他事
5. 网卡从指定的内核空间读取数据
6. 网卡将数据转换成二进制形式，以比特流的形式传输

ps：下面说的用户进程等同于应用程序，是同一个概念

在这个过程中才有同步异步的概念：

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的.
同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪。
异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。

同步和异步的主要区别就是在用户程序通过系统调用IO操作时是否需要等待或者轮询，以便查看操作系统是否完成了IO操作。

这里的等待IO指的是数据从应用程序拷贝到内核空间（或从内核空间拷贝到用户程序）的过程。（ 出于系统安全考虑，用户线程是没法直接读取内核态内存的。）

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于应用程序在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，阻塞方式下读取或者写入过程将一直等待结果，而非阻塞方式下，读取或者写入过程会立即获得一个返回值。

简单来说就是阻塞情况下需要等待执行结果，非阻塞情况下立即获得结果（不管最终操作成功还是失败）。结合同步异步过程理解，
阻塞：当用户线程发起一个IO请求的时候，请求会到达内核，内核获取到数据后，将数据从内核空间拷贝到用户空间。期间，当内核未将数据准备好时，用户线程一直处于阻塞状态（用户线程不会获得反馈结果）
非阻塞：当用户程序发起IO请求时，不用等到内核准备好数据才能返回，而是可以立刻返回（不论什么状态都获得反馈结果），没有被阻塞住。

java中的IO

• 同步阻塞IO：在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！
• 同步非阻塞IO:在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后可立即返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。
• 异步阻塞IO：此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！（关于select函数不是本文重点）
• 异步非阻塞IO:在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。