NIo、Bio、aio、 的原理及区别与应用场景

在高性能的IO体系设计中，有几个名词概念常常会使我们感到迷惑不解。具体如下： 

序号	问题
1	什么是同步？
2	什么是异步？
3	什么是阻塞？
4	什么是非阻塞？
5	什么是同步阻塞？
6	什么是同步非阻塞？
7	什么是异步阻塞？
8	什么是异步非阻塞？

散仙不才，在查了一部分资料后，愿试着以通俗易懂的方式解释下这几个名词。如有不足之处，还望告知。 



在弄清楚上面的几个问题之前，我们首先得明白什么是同步，异步，阻塞，非阻塞，只有这几个单个概念理解清楚了，然后在组合理解起来，就相对比较容易了。 

1,同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。 同步/异步是在时间上强调处理事情的结果/机会成本的两种处理策略；强调结果意味着对结果的迫不急待，不过结果是正确的还是错误的，反正你要立即给我一个结果响应；强调时间机会成本意味着对等待结果浪费的时间极其难接受，而对结果并不是那么急切，暂时不管结果（让处理方处理完主动通知结果/自己空闲的时候主动去获取结果）转而去处理其他事情

2,阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

 

 

3,同步/异步是宏观上（进程间通讯，通常表现为网络IO的处理上），阻塞/非阻塞是微观上（进程内数据传输，通常表现为对本地IO的处理上）；阻塞和非阻塞是同步/异步的表现形式

由上描述基本可以总结一句简短的话，同步和异步是目的，阻塞和非阻塞是实现方式。 
 

编号	名词	解释	举例
1	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	自己上街买衣服，自己亲自干这件事，别的事干不了。
2	异步	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（异步的特点就是通知）	告诉朋友自己合适衣服的尺寸，大小，颜色，让朋友委托去卖，然后自己可以去干别的事。（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS）
3	阻塞	所谓阻塞方式的意思是指, 当试图对该文件描述符进行读写时, 如果当时没有东西可读,或者暂时不可写, 程序就进入等待 状态, 直到有东西可读或者可写为止	去公交站充值，发现这个时候，充值员不在（可能上厕所去了），然后我们就在这里等待，一直等到充值员回来为止。（当然现实社会，可不是这样，但是在计算机里确实如此。）
4	非阻塞	非阻塞状态下, 如果没有东西可读, 或者不可写, 读写函数马上返回, 而不会等待，	银行里取款办业务时，领取一张小票，领取完后我们自己可以玩玩手机，或者与别人聊聊天，当轮我们时，银行的喇叭会通知，这时候我们就可以去了。

一：事件分离器

        在IO读写时，把 IO请求 与 读写操作 分离调配进行，需要用到事件分离器。根据处理机制的不同，事件分离器又分为：同步的Reactor和异步的Proactor。

        Reactor模型：

    - 应用程序在事件分离器注册 读就绪事件 和 读就绪事件处理器
    - 事件分离器等待读就绪事件发生
    - 读就绪事件发生，激活事件分离器，分离器调用 读就绪事件处理器（即：可以进行读操作了，开始读）
    - 读事件处理器开始进行读操作，把读到的数据提供给程序使用

        Proactor模型：

       - 应用程序在事件分离器注册 读完成事件 和 读完成事件处理器，并向操作系统发出异步读请求

   - 事件分离器等待操作系统完成读取

   - 在分离器等待过程中，操作系统利用并行的内核线程执行实际的读操作，并将结果数据存入用户自定义缓冲区，最后通知事件分离器读操作完成

   - 事件分离器监听到 读完成事件 后，激活 读完成事件的处理器

   - 读完成事件处理器 处理用户自定义缓冲区中的数据给应用程序使用

    

       同步和异步的区别就在于 读 操作由谁完成：同步的Reactor是指程序发出读请求后，由分离器监听到可以进行读操作时（需要获得读操作条件）通知事件处理器进行读操作，异步的Proactor是指程序发出读请求后，操作系统立刻异步地进行读操作了，读完之后在通知分离器，分离器激活处理器直接取用已读到的数据。

      

        二：同步阻塞IO（BIO）

        我们熟知的Socket编程就是BIO，一个socket连接一个处理线程（这个线程负责这个Socket连接的一系列数据传输操作）。阻塞的原因在于：操作系统允许的线程数量是有限的，多个socket申请与服务端建立连接时，服务端不能提供相应数量的处理线程，没有分配到处理线程的连接就会阻塞等待或被拒绝。

 

         三：同步非阻塞IO（NIO）

         New IO是对BIO的改进，基于Reactor模型。我们知道，一个socket连接只有在特点时候才会发生数据传输IO操作，大部分时间这个“数据通道”是空闲的，但还是占用着线程。NIO作出的改进就是“一个请求一个线程”，在连接到服务端的众多socket中，只有需要进行IO操作的才能获取服务端的处理线程进行IO。这样就不会因为线程不够用而限制了socket的接入。客户端的socket连接到服务端时，就会在事件分离器注册一个 IO请求事件 和 IO 事件处理器。在该连接发生IO请求时，IO事件处理器就会启动一个线程来处理这个IO请求，不断尝试获取系统的IO的使用权限，一旦成功（即：可以进行IO），则通知这个socket进行IO数据传输。

         NIO还提供了两个新概念：Buffer和Channel

Buffer:
–        是一块连续的内存块。
–        是 NIO 数据读或写的中转地。
Channel:
–        数据的源头或者数据的目的地
–        用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据 ,buffer 对象的唯一接口。
–         异步 I/O 支持
      Buffer作为IO流中数据的缓冲区，而Channel则作为socket的IO流与Buffer的传输通道。客户端socket与服务端socket之间的IO传输不直接把数据交给CPU使用，
而是先经过Channel通道把数据保存到Buffer，然后CPU直接从Buffer区读写数据，一次可以读写更多的内容。
      使用Buffer提高IO效率的原因（这里与IO流里面的BufferedXXStream、BufferedReader、BufferedWriter提高性能的原理一样）：IO的耗时主要花在数据传输的路上，普通的IO是一个字节一个字节地传输，
而采用了Buffer的话，通过Buffer封装的方法（比如一次读一行，则以行为单位传输而不是一个字节一次进行传输）就可以实现“一大块字节”的传输。比如：IO就是送快递，普通IO是一个快递跑一趟，采用了Buffer的IO就是一车跑一趟。很明显，buffer效率更高，花在传输路上
的时间大大缩短。

 

          四：异步阻塞IO（AIO）

          NIO是同步的IO，是因为程序需要IO操作时，必须获得了IO权限后亲自进行IO操作才能进行下一步操作。AIO是对NIO的改进（所以AIO又叫NIO.2），它是基于Proactor模型的。每个socket连接在事件分离器注册 IO完成事件 和 IO完成事件处理器。程序需要进行IO时，向分离器发出IO请求并把所用的Buffer区域告知分离器，分离器通知操作系统进行IO操作，操作系统自己不断尝试获取IO权限并进行IO操作（数据保存在Buffer区），操作完成后通知分离器；分离器检测到 IO完成事件，则激活 IO完成事件处理器，处理器会通知程序说“IO已完成”，程序知道后就直接从Buffer区进行数据的读写。

          也就是说：AIO是发出IO请求后，由操作系统自己去获取IO权限并进行IO操作；NIO则是发出IO请求后，由线程不断尝试获取IO权限，获取到后通知应用程序自己进行IO操作。