Java之IO模型

Posted 2020-12-02 MrHH

首先来看一下同步与异步的概念：

　　1.同步是指当前端发起一次操作请求时，只有后台执行完所有的代码操作才会给前端返回值。

　　2.异步是将前端发回的消息加入消息队列，并且立刻给前端返回请求，告诉用户可以离开当前页面去做别的事情。当后台处理完成，操作系统会通知事件和回调机制等通知相应的县城进行后续操作。

　同步和异步最大的区别在于：一个需要等待，一个不需要等待。

接下来解释一下常见的IO模型：

　　阻塞IO模型（最传统的IO模型）：在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。

　　典型的阻塞IO模型的例子为：data=socket.read();如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法。

　　非阻塞IO模型：当用户线程发起read操作后，并不需要等待，而是马上就得到一个结果。如果结果是error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到用户线程，然后返回。

　　在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就是说非阻塞IO不会交出CPU，而是一直占用CPU。

　　典型的非阻塞IO模型一般如下：

1 while(true){
2     data = socket.read();
3     if(data!= error){    //处理数据
4         break;
5     }
6 }

 

　　多路复用IO模型：NIO实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才会调用实际的IO读写操作。多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，不需要建立新的进程或线程，也不必维护这些线程和进程，只有当socket真正有读写事件发生时才会占用资源来进行实际的读写操作。所以他大大减少了资源占用。因此，多路复用IO适合连接数比较多的情况。

　　在NIO中，通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致线程阻塞。

　　多路复用IO为何比非阻塞IO的效率高？

　　　答：是因为在非阻塞IO中，不断地去询问socket状态是通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是在内核进行的，效率比用户线程要高。不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对于到达的时间逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理并且会影响新的事件轮询。

　　信号驱动IO模型：在信号驱动IO中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

　　异步IO模型：异步IO模型是理想的IO模型。在异步IO模型中，当用户线程发起read操作后，就可以开始去做别的事情。另一方面，从内核的角度，当它收到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后内核会等待数据准备完成，将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。

　　在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已经完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。