Java NIO：淺析I/O模型

也許很多朋友在學(xué)習(xí)NIO的時候都會感覺有點吃力，對里面的很多概念都感覺不是那么明朗。在進(jìn)入Java NIO編程之前，我們今天先來討論一些比較基礎(chǔ)的知識：I/O模型。下面本文先從同步和異步的概念 說起，然后接著闡述了阻塞和非阻塞的區(qū)別，接著介紹了阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別，然后介紹了同步IO和異步IO的區(qū)別，接下來介紹了5種IO模型，最后介紹了兩種和高性能IO設(shè)計相關(guān)的設(shè)計模式（Reactor和Proactor）。

以下是本文的目錄大綱：

一.什么是同步？什么是異步？

二.什么是阻塞？什么是非阻塞？

三.什么是阻塞IO？什么是非阻塞IO？

四.什么是同步IO？什么是異步IO？

五.五種IO模型

六.兩種高性能IO設(shè)計模式

一.什么是同步？什么是異步？

同步和異步的概念出來已經(jīng)很久了，網(wǎng)上有關(guān)同步和異步的說法也有很多。以下是我個人的理解：

同步就是：如果有多個任務(wù)或者事件要發(fā)生，這些任務(wù)或者事件必須逐個地進(jìn)行，一個事件或者任務(wù)的執(zhí)行會導(dǎo)致整個流程的暫時等待，這些事件沒有辦法并發(fā)地執(zhí)行；

異步就是：如果有多個任務(wù)或者事件發(fā)生，這些事件可以并發(fā)地執(zhí)行，一個事件或者任務(wù)的執(zhí)行不會導(dǎo)致整個流程的暫時等待。

這就是同步和異步。舉個簡單的例子，假如有一個任務(wù)包括兩個子任務(wù)A和B，對于同步來說，當(dāng)A在執(zhí)行的過程中，B只有等待，直至A執(zhí)行完畢，B才能執(zhí)行；而對于異步就是A和B可以并發(fā)地執(zhí)行，B不必等待A執(zhí)行完畢之后再執(zhí)行，這樣就不會由于A的執(zhí)行導(dǎo)致整個任務(wù)的暫時等待。

如果還不理解，可以先看下面這2段代碼：

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void fun1() {

}

void fun2() {

}

void function(){

fun1();

fun2()

.....

.....

}

這段代碼就是典型的同步，在方法function中，fun1在執(zhí)行的過程中會導(dǎo)致后續(xù)的fun2無法執(zhí)行，fun2必須等待fun1執(zhí)行完畢才可以執(zhí)行。

接著看下面這段代碼：

1

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void fun1() {

}

void fun2() {

}

void function(){

new Thread(){

public void run() {

fun1();

}

}.start();

new Thread(){

public void run() {

fun2();

}

}.start();

.....

.....

}

這段代碼是一種典型的異步，fun1的執(zhí)行不會影響到fun2的執(zhí)行，并且fun1和fun2的執(zhí)行不會導(dǎo)致其后續(xù)的執(zhí)行過程處于暫時的等待。

事實上，同步和異步是一個非常廣的概念，它們的重點在于多個任務(wù)和事件發(fā)生時，一個事件的發(fā)生或執(zhí)行是否會導(dǎo)致整個流程的暫時等待。我覺得可以將同步和異步與Java中的synchronized關(guān)鍵字聯(lián)系起來進(jìn)行類比。當(dāng)多個線程同時訪問一個變量時，每個線程訪問該變量就是一個事件，對于同步來說，就是這些線程必須逐個地來訪問該變量，一個線程在訪問該變量的過程中，其他線程必須等待；而對于異步來說，就是多個線程不必逐個地訪問該變量，可以同時進(jìn)行訪問。

因此，個人覺得同步和異步可以表現(xiàn)在很多方面，但是記住其關(guān)鍵在于多個任務(wù)和事件發(fā)生時，一個事件的發(fā)生或執(zhí)行是否會導(dǎo)致整個流程的暫時等待。一般來說，可以通過多線程的方式來實現(xiàn)異步，但是千萬記住不要將多線程和異步畫上等號，異步只是宏觀上的一個模式，采用多線程來實現(xiàn)異步只是一種手段，并且通過多進(jìn)程的方式也可以實現(xiàn)異步。

二.什么是阻塞？什么是非阻塞？

在前面介紹了同步和異步的區(qū)別，這一節(jié)來看一下阻塞和非阻塞的區(qū)別。

阻塞就是：當(dāng)某個事件或者任務(wù)在執(zhí)行過程中，它發(fā)出一個請求操作，但是由于該請求操作需要的條件不滿足，那么就會一直在那等待，直至條件滿足；

非阻塞就是：當(dāng)某個事件或者任務(wù)在執(zhí)行過程中，它發(fā)出一個請求操作，如果該請求操作需要的條件不滿足，會立即返回一個標(biāo)志信息告知條件不滿足，不會一直在那等待。

這就是阻塞和非阻塞的區(qū)別。也就是說阻塞和非阻塞的區(qū)別關(guān)鍵在于當(dāng)發(fā)出請求一個操作時，如果條件不滿足，是會一直等待還是返回一個標(biāo)志信息。

舉個簡單的例子：

假如我要讀取一個文件中的內(nèi)容，如果此時文件中沒有內(nèi)容可讀，對于同步來說就是會一直在那等待，直至文件中有內(nèi)容可讀；而對于非阻塞來說，就會直接返回一個標(biāo)志信息告知文件中暫時無內(nèi)容可讀。

在網(wǎng)上有一些朋友將同步和異步分別與阻塞和非阻塞畫上等號，事實上，它們是兩組完全不同的概念。注意，理解這兩組概念的區(qū)別對于后面IO模型的理解非常重要。

同步和異步著重點在于多個任務(wù)的執(zhí)行過程中，一個任務(wù)的執(zhí)行是否會導(dǎo)致整個流程的暫時等待；

而阻塞和非阻塞著重點在于發(fā)出一個請求操作時，如果進(jìn)行操作的條件不滿足是否會返會一個標(biāo)志信息告知條件不滿足。

理解阻塞和非阻塞可以同線程阻塞類比地理解，當(dāng)一個線程進(jìn)行一個請求操作時，如果條件不滿足，則會被阻塞，即在那等待條件滿足。

三.什么是阻塞IO？什么是非阻塞IO？

在了解阻塞IO和非阻塞IO之前，先看下一個具體的IO操作過程是怎么進(jìn)行的。

通常來說，IO操作包括：對硬盤的讀寫、對socket的讀寫以及外設(shè)的讀寫。

當(dāng)用戶線程發(fā)起一個IO請求操作（本文以讀請求操作為例），內(nèi)核會去查看要讀取的數(shù)據(jù)是否就緒，對于阻塞IO來說，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，則會一直在那等待，直到數(shù)據(jù)就緒；對于非阻塞IO來說，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，則會返回一個標(biāo)志信息告知用戶線程當(dāng)前要讀的數(shù)據(jù)沒有就緒。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒之后，便將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，這樣才完成了一個完整的IO讀請求操作，也就是說一個完整的IO讀請求操作包括兩個階段：

1）查看數(shù)據(jù)是否就緒；

2）進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝（內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程）。

那么阻塞（blocking IO）和非阻塞（non-blocking IO）的區(qū)別就在于第一個階段，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，在查看數(shù)據(jù)是否就緒的過程中是一直等待，還是直接返回一個標(biāo)志信息。

Java中傳統(tǒng)的IO都是阻塞IO，比如通過socket來讀數(shù)據(jù)，調(diào)用read()方法之后，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，當(dāng)前線程就會一直阻塞在read方法調(diào)用那里，直到有數(shù)據(jù)才返回；而如果是非阻塞IO的話，當(dāng)數(shù)據(jù)沒有就緒，read()方法應(yīng)該返回一個標(biāo)志信息，告知當(dāng)前線程數(shù)據(jù)沒有就緒，而不是一直在那里等待。

四.什么是同步IO？什么是異步IO？

我們先來看一下同步IO和異步IO的定義，在《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》一書中對同步IO和異步IO的定義是這樣的：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes.

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

從字面的意思可以看出：同步IO即 如果一個線程請求進(jìn)行IO操作，在IO操作完成之前，該線程會被阻塞；

而異步IO為 如果一個線程請求進(jìn)行IO操作，IO操作不會導(dǎo)致請求線程被阻塞。

事實上，同步IO和異步IO模型是針對用戶線程和內(nèi)核的交互來說的：

對于同步IO：當(dāng)用戶發(fā)出IO請求操作之后，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，需要通過用戶線程或者內(nèi)核不斷地去輪詢數(shù)據(jù)是否就緒，當(dāng)數(shù)據(jù)就緒時，再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶線程；

而異步IO：只有IO請求操作的發(fā)出是由用戶線程來進(jìn)行的，IO操作的兩個階段都是由內(nèi)核自動完成，然后發(fā)送通知告知用戶線程IO操作已經(jīng)完成。也就是說在異步IO中，不會對用戶線程產(chǎn)生任何阻塞。

這是同步IO和異步IO關(guān)鍵區(qū)別所在，同步IO和異步IO的關(guān)鍵區(qū)別反映在數(shù)據(jù)拷貝階段是由用戶線程完成還是內(nèi)核完成。所以說異步IO必須要有操作系統(tǒng)的底層支持。

注意同步IO和異步IO與阻塞IO和非阻塞IO是不同的兩組概念。

阻塞IO和非阻塞IO是反映在當(dāng)用戶請求IO操作時，如果數(shù)據(jù)沒有就緒，是用戶線程一直等待數(shù)據(jù)就緒，還是會收到一個標(biāo)志信息這一點上面的。也就是說，阻塞IO和非阻塞IO是反映在IO操作的第一個階段，在查看數(shù)據(jù)是否就緒時是如何處理的。

五.五種IO模型

在《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》一書中提到了五種IO模型，分別是：阻塞IO、非阻塞IO、多路復(fù)用IO、信號驅(qū)動IO以及異步IO。

下面就分別來介紹一下這5種IO模型的異同。

1.阻塞IO模型

最傳統(tǒng)的一種IO模型，即在讀寫數(shù)據(jù)過程中會發(fā)生阻塞現(xiàn)象。

當(dāng)用戶線程發(fā)出IO請求之后，內(nèi)核會去查看數(shù)據(jù)是否就緒，如果沒有就緒就會等待數(shù)據(jù)就緒，而用戶線程就會處于阻塞狀態(tài)，用戶線程交出CPU。當(dāng)數(shù)據(jù)就緒之后，內(nèi)核會將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，并返回結(jié)果給用戶線程，用戶線程才解除block狀態(tài)。

典型的阻塞IO模型的例子為：

1

data = socket.read();

如果數(shù)據(jù)沒有就緒，就會一直阻塞在read方法。

2.非阻塞IO模型

當(dāng)用戶線程發(fā)起一個read操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結(jié)果。如果結(jié)果是一個error時，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送read操作。一旦內(nèi)核中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶線程的請求，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶線程，然后返回。

所以事實上，在非阻塞IO模型中，用戶線程需要不斷地詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，也就說非阻塞IO不會交出CPU，而會一直占用CPU。

典型的非阻塞IO模型一般如下：

1

2

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7

while(true){

data = socket.read();

if(data!= error){

處理數(shù)據(jù)

break;

}

}

但是對于非阻塞IO就有一個非常嚴(yán)重的問題，在while循環(huán)中需要不斷地去詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否就緒，這樣會導(dǎo)致CPU占用率非常高，因此一般情況下很少使用while循環(huán)這種方式來讀取數(shù)據(jù)。

3.多路復(fù)用IO模型

多路復(fù)用IO模型是目前使用得比較多的模型。Java NIO實際上就是多路復(fù)用IO。

在多路復(fù)用IO模型中，會有一個線程不斷去輪詢多個socket的狀態(tài)，只有當(dāng)socket真正有讀寫事件時，才真正調(diào)用實際的IO讀寫操作。因為在多路復(fù)用IO模型中，只需要使用一個線程就可以管理多個socket，系統(tǒng)不需要建立新的進(jìn)程或者線程，也不必維護(hù)這些線程和進(jìn)程，并且只有在真正有socket讀寫事件進(jìn)行時，才會使用IO資源，所以它大大減少了資源占用。

在Java NIO中，是通過selector.select()去查詢每個通道是否有到達(dá)事件，如果沒有事件，則一直阻塞在那里，因此這種方式會導(dǎo)致用戶線程的阻塞。

也許有朋友會說，我可以采用 多線程+ 阻塞IO 達(dá)到類似的效果，但是由于在多線程 + 阻塞IO 中，每個socket對應(yīng)一個線程，這樣會造成很大的資源占用，并且尤其是對于長連接來說，線程的資源一直不會釋放，如果后面陸續(xù)有很多連接的話，就會造成性能上的瓶頸。

而多路復(fù)用IO模式，通過一個線程就可以管理多個socket，只有當(dāng)socket真正有讀寫事件發(fā)生才會占用資源來進(jìn)行實際的讀寫操作。因此，多路復(fù)用IO比較適合連接數(shù)比較多的情況。

另外多路復(fù)用IO為何比非阻塞IO模型的效率高是因為在非阻塞IO中，不斷地詢問socket狀態(tài)時通過用戶線程去進(jìn)行的，而在多路復(fù)用IO中，輪詢每個socket狀態(tài)是內(nèi)核在進(jìn)行的，這個效率要比用戶線程要高的多。

不過要注意的是，多路復(fù)用IO模型是通過輪詢的方式來檢測是否有事件到達(dá)，并且對到達(dá)的事件逐一進(jìn)行響應(yīng)。因此對于多路復(fù)用IO模型來說，一旦事件響應(yīng)體很大，那么就會導(dǎo)致后續(xù)的事件遲遲得不到處理，并且會影響新的事件輪詢。

4.信號驅(qū)動IO模型

在信號驅(qū)動IO模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起一個IO請求操作，會給對應(yīng)的socket注冊一個信號函數(shù)，然后用戶線程會繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核數(shù)據(jù)就緒時會發(fā)送一個信號給用戶線程，用戶線程接收到信號之后，便在信號函數(shù)中調(diào)用IO讀寫操作來進(jìn)行實際的IO請求操作。

5.異步IO模型

異步IO模型才是最理想的IO模型，在異步IO模型中，當(dāng)用戶線程發(fā)起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從內(nèi)核的角度，當(dāng)它受到一個asynchronous read之后，它會立刻返回，說明read請求已經(jīng)成功發(fā)起了，因此不會對用戶線程產(chǎn)生任何block。然后，內(nèi)核會等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶線程，當(dāng)這一切都完成之后，內(nèi)核會給用戶線程發(fā)送一個信號，告訴它read操作完成了。也就說用戶線程完全不需要實際的整個IO操作是如何進(jìn)行的，只需要先發(fā)起一個請求，當(dāng)接收內(nèi)核返回的成功信號時表示IO操作已經(jīng)完成，可以直接去使用數(shù)據(jù)了。

也就說在異步IO模型中，IO操作的兩個階段都不會阻塞用戶線程，這兩個階段都是由內(nèi)核自動完成，然后發(fā)送一個信號告知用戶線程操作已完成。用戶線程中不需要再次調(diào)用IO函數(shù)進(jìn)行具體的讀寫。這點是和信號驅(qū)動模型有所不同的，在信號驅(qū)動模型中，當(dāng)用戶線程接收到信號表示數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，然后需要用戶線程調(diào)用IO函數(shù)進(jìn)行實際的讀寫操作；而在異步IO模型中，收到信號表示IO操作已經(jīng)完成，不需要再在用戶線程中調(diào)用iO函數(shù)進(jìn)行實際的讀寫操作。

注意，異步IO是需要操作系統(tǒng)的底層支持，在Java 7中，提供了Asynchronous IO。

前面四種IO模型實際上都屬于同步IO，只有最后一種是真正的異步IO，因為無論是多路復(fù)用IO還是信號驅(qū)動模型，IO操作的第2個階段都會引起用戶線程阻塞，也就是內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝的過程都會讓用戶線程阻塞。

六.兩種高性能IO設(shè)計模式

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)計模式中，有兩種比較經(jīng)典的模式：

一種是 多線程，一種是線程池。

對于多線程模式，也就說來了client，服務(wù)器就會新建一個線程來處理該client的讀寫事件，如下圖所示：

這種模式雖然處理起來簡單方便，但是由于服務(wù)器為每個client的連接都采用一個線程去處理，使得資源占用非常大。因此，當(dāng)連接數(shù)量達(dá)到上限時，再有用戶請求連接，直接會導(dǎo)致資源瓶頸，嚴(yán)重的可能會直接導(dǎo)致服務(wù)器崩潰。

因此，為了解決這種一個線程對應(yīng)一個客戶端模式帶來的問題，提出了采用線程池的方式，也就說創(chuàng)建一個固定大小的線程池，來一個客戶端，就從線程池取一個空閑線程來處理，當(dāng)客戶端處理完讀寫操作之后，就交出對線程的占用。因此這樣就避免為每一個客戶端都要創(chuàng)建線程帶來的資源浪費，使得線程可以重用。

但是線程池也有它的弊端，如果連接大多是長連接，因此可能會導(dǎo)致在一段時間內(nèi)，線程池中的線程都被占用，那么當(dāng)再有用戶請求連接時，由于沒有可用的空閑線程來處理，就會導(dǎo)致客戶端連接失敗，從而影響用戶體驗。因此，線程池比較適合大量的短連接應(yīng)用。

因此便出現(xiàn)了下面的兩種高性能IO設(shè)計模式：Reactor和Proactor。

在Reactor模式中，會先對每個client注冊感興趣的事件，然后有一個線程專門去輪詢每個client是否有事件發(fā)生，當(dāng)有事件發(fā)生時，便順序處理每個事件，當(dāng)所有事件處理完之后，便再轉(zhuǎn)去繼續(xù)輪詢，如下圖所示：

從這里可以看出，上面的五種IO模型中的多路復(fù)用IO就是采用Reactor模式。注意，上面的圖中展示的 是順序處理每個事件，當(dāng)然為了提高事件處理速度，可以通過多線程或者線程池的方式來處理事件。

在Proactor模式中，當(dāng)檢測到有事件發(fā)生時，會新起一個異步操作，然后交由內(nèi)核線程去處理，當(dāng)內(nèi)核線程完成IO操作之后，發(fā)送一個通知告知操作已完成，可以得知，異步IO模型采用的就是Proactor模式。

Java 任務(wù)調(diào)度

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