从同步阻塞聊到Java三种IO方式

Posted 2020-10-28 noodleprince

本文总结自

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34408883，

https://www.zhihu.com/question/19732473中愚抄的回答，

http://blog.51cto.com/stevex/1284437作者自身的评论

 

 

快速理解

首先，我们要先对这几个概念有一个直观的理解，对于初学者来说，你可以这样看待这几个概念：

• 阻塞非阻塞 指的是在客户端
  • 阻塞：意味着 客户端提出一个请求以后，在得到回应之前，只能等待
  • 非阻塞：意味着 客户端提出一个请求以后，在得到回应之前，客户端还可以做其他事情
• 同步异步 指的是服务器端
  • 同步：意味着 服务器接受一个请求后，在返回结果以前不能做其他的事情
  • 异步：意味着 服务器接受一个请求后，尽管还没有返回结果，但是可以做其他的事情

这样的理解其实是过于以偏概全的，因为这只是消息通知场景中的解释，但是通过代入客户端，服务器端更加方便初学者理解，因此在这里，暂且先这样解释。

 

 

举个例子

小明领着女朋友去超市购物，买了很多东西，当他走到收银员那里结账的时候，小明(客户端)发出了要求结账的讯息(请求)，收银员(服务器)会对他这一要求进行处理。此时有可能产生多种场景

• 小明傻傻地等着收银员用计算器算出所有物品的总价，并准备付款。(同步阻塞：小明在请求响应之前，一直在等待；收银员没有做别的事情，一直在处理小明的请求)
• 小明觉得自己太傻了，于是一边和女朋友聊天，一边催促收银员快点计算出总价。(同步非阻塞：小明在请求响应之前，做了其他的事情；收银员一直在处理小明的请求)
• 小明傻傻地等着收银员的总价结果，收银员却把计算的工作交给计算机之后就去拿袋子帮忙装东西，直到计算机上出现了总价结果，收银员才继续回来完成收款工作。(异步阻塞：小明在请求响应之前，一直在等待；收银员在处理小明请求的过程中，处理了其他的事情)
• 小明觉得自己太傻了，于是一边和女朋友聊天，一边催出收银员快点计算出总价，而收银员却把计算的工作交给计算机之后就去拿袋子帮忙装东西，直到计算机上出现了总价结果，收银员才继续回来完成收款工作。(异步非阻塞：小明在请求响应之前做了其他的事情；收银员也在处理请求的过程中，处理了其他的事情)

在这个例子中：

• 阻塞，非阻塞，指的是小明是否在等待处理结果的过程中去做了其他的事情。
• 同步，异步，指的是收银员是否在处理收款这一请求的过程中去做了其他的事情，这也导致了收款的结果是当时告诉了小明，还是之后又进行了额外的通知。

 

再来个例子

老张爱喝茶，废话不说，煮开水。

出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。

1. 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）老张觉得自己有点傻
2. 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的响声。
3. 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）老张觉得这样傻等意义不大
4. 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）

在这个例子中：

• 所谓同步异步，只是对于水壶而言。
  • 普通水壶，同步；响水壶，异步。
  • 虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。
  • 同步只能让调用者老张去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。
• 所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。
  • 立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。
  • 情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。

一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

 

 

结论：

阻塞和非阻塞：关注的是调用者是否会一直等待被调用者的通知。换句话说，发出请求者是否会在等待过程中去做别的事情。

同步和异步：关注的是被调用者是否会一直处理该请求。换句话说，处理请求者是持续处理该请求并通过原调用将结果返回，还是可以在该请求处理完成前处理其他事情，并在该请求完成时通过其他方式将结果通知调用者。

 

 

深入探究

一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作。

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

同步IO和异步IO的区别就在于实际的IO操作是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO。

 

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO请求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。

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（轮询的时候不干别的事情）的去查看IO操作是否就绪，而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。

 

所以,IO操作可以分为3类：同步阻塞（即早期的IO操作，BIO）、同步非阻塞（NIO）、异步非阻塞（AIO）。

• 同步阻塞：在此种方式下，用户进程在发起一个IO请求以后，必须等待IO请求的返回，只有当IO请求返回以后，用户进程才能继续运行。JAVA传统的IO模型（BIO）属于此种方式。
• 同步非阻塞：在此种方式下，用户进程发起一个IO请求以后便可以返回做其它事情，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。
• 异步非阻塞：此种方式用户进程发起一个IO请求后，便返回做其他事情，而真正处理IO的应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，也可以处理其他事情，等内核完成IO操作以后会通知处理IO的应用，处理IO的应用再通知用户进程。目前JAVA中的AIO就属于异步非阻塞IO。

 

 

Java三种IO的历史

BIO：JDK1.4之前

NIO：JDK1.4推出了java.nio包

AIO：JDK1.7在java.nio.channels包下新增了四个异步通道

1. AsynchronousSocketChannel
2. AsynchronousServerSocketChannel
3. AsynchronousFileChannel
4. AsynchronousDatagramChannel