NIO系列——之IO模型

Posted 2021-04-25 大码侯

这是NIO系列的第二篇，欢迎持续关注：

上一篇我们讲到了关于TCP/IP协议的一些内容，这些是网络编程的必备知识。
在了解NIO之前我们必须要了解一下对应的系统层IO模型，比如java的NIO对应是那种IO模型，阻塞和同步的差异在哪里，又是否相同。了解了这些更方便我们的后续的NIO探解。

一、同步、异步、阻塞、非阻塞

同步、异步，阻塞、非阻塞，这四种状态常有人分不清，主要是这四种状态的定义本身也不是很明确，所以各种解答的方式都有。常见的分类有以下:

1. 
   

2. 同步阻塞IO

3. 
   

4. 同步非阻塞IO

5. 
   

6. 异步非阻塞IO

7. 
   

针对某种IO模型，我们如何分类，可以基于POSIX对同步/异步的定义来判别:

- 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;

那么从上我们可以看出:

阻塞：是否阻塞主要体现在调用的线程是否可以干别的，关注的是程序的等待状态

同步：是否同步体现在消息通信机制上 。

也就是说同步和异步说的是消息的通知机制，阻塞非阻塞说的是线程的状态 。

如果说以上的定义依然无法判别，我们可以从输入操作的两个阶段来看：

一般来说，一个输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待数据准备好；（2）从内核向进程复制数据。

是否同步的判断依据是:是否针对的是整个过程，也就是2个阶段，是否有阻塞。

是否阻塞的判断依据是:按程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的，也就是主要是针对第一阶段来说。

举例

我们举例来说:

比如说做饭这件事，一般要分为连个步骤。

1、买菜，准备食材

2、炒菜，做出饭菜

方案一：自己动手处理。

1、去超市买菜，准备食材（阻塞，当前时段只能做一件事，且需要持续的等待）

2、回家切菜，炒菜，做出美味饭菜（阻塞，还是自己来处理）

评价: 方案一同步阻塞。首先阶段一是阻塞的，所以认定为阻塞，两个阶段都是阻塞的，认定为同步的。

方案二：盒马配送食材，自己做饭

1、网上下单，盒马配送食材，快递到了会敲门联系你。（非阻塞的，这期间你可以干其他事）

2、拿到菜，切菜、炒菜，做出美味饭菜（阻塞）

评价：方案二为同步非阻塞。阶段一为非阻塞，认定为非阻塞。阶段二为阻塞，两阶段中有一个为阻塞，认定为同步。

方案三：盒马配送，请阿姨做饭

1、网上下单，盒马配送食材，快递到了会敲门联系你。（非阻塞的，这期间你可以干其他事）

2、网上请阿姨小时工，帮忙做这一餐，做好通知我。（非阻塞，期间可以干其他事）

评价：方案二为异步非阻塞。阶段一为非阻塞，认定为非阻塞。阶段二非阻塞，则两阶段中都没有阻塞，认定为异步。

那么是否有异步阻塞IO模型，没有，要记得异步状态是包含二个阶段的，如果有阻塞的过程，为何还叫异步？

网上有很多介绍有异步阻塞模型的，我目前查到的资料还没有这个证明，若有找到相关论文，还请指教。目前我认为没有这个模型的。

二、Unix 5种I/O模型

在《UNIX网络编程：卷一》的第六章书中列出了五种IO模型：

• 阻塞式I/O；

• 非阻塞式I/O；

• I/O复用（select，poll，epoll...）；

• 信号驱动式I/O（SIGIO）；

• 异步I/O（POSIX的aio_系列函数）；

  
  

阻塞式I/O

同步阻塞 IO 模型是最常用的一个模型，也是最简单的模型。在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking。它符合人们最常见的思考逻辑。

在这个IO模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform），这会导致应用程序阻塞，什么也不干，直到数据准备好，等待kernel准备好从网络上接收到的数据报 + 等待收到的报文被从kernel复制到buf中，recvfrom方法才会返回，最后进程再处理数据。

这就是阻塞式IO模型

非阻塞式I/O

非阻塞IO时对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom，持续的轮询（polling）,以查看某个操作是否就绪。与阻塞IO不一样，"非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 '被' CPU光顾"。

非阻塞的recvform系统调用调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。如此循环的进行recvform系统调用，检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程。拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

这就是非阻塞式IO模型

I/O复用

IO multiplexing就是我们说的select，poll，epoll 。为何叫多路复用，是因为它I/O多路复用可以同时监听多个fd，如此就减少了为每个需要监听的fd开启线程的开销。

select调用是内核级别的，可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，这个过程是阻塞的。

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，这几个函数可以同时阻塞多个I/O操作`。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时（不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理），才真正调用I/O操作函数。

IO复用有人把其成为同步非阻塞的，也有称为同步阻塞。其实这个是否阻塞还需要看第一个阶段，第一个阶段有的阻塞，有的不阻塞。主要也是阻塞在select阶段，属于用户主动等待阶段，我们且规范为阻塞状态，所以，把IO多路复用归为同步阻塞模式。

这是IO复用的模型:

select、poll、epoll的不同

 

信号驱动式I/O

信号驱动式I/O：首先我们允许Socket进行信号驱动IO,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

也就是说第一个阶段，完全是非阻塞的，等数据到达会给一个信号通知，第二个阶段recvfrom还是阻塞过程，和之上无差异。

信号驱动式I/O 过程如下:

异步I/O

异步IO不是顺序执行,用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。

总结

针对这5中IO模型，我采用一张图来总结一下。

三、java IO

Unix中的五种I/O模型，除信号驱动I/O外，Java对其它四种I/O模型都有所支持。其中Java最早提供的blocking I/O即是同步阻塞I/O，而NIO即是同步非阻塞I/O，同时通过NIO实现的Reactor模式即是I/O复用模型的实现，通过AIO实现的Proactor模式即是异步I/O模型的实现。

所以说严格意义上来说，通过Reactor模式实现的NIO，和unix中的I/O多路复用是相同的概念，但这是一种编程模型，而不是原生支持。这也是我们下面所要进行的netty讲解的主要思想。

以上在《UNIX网络编程：卷一》由详细描述，可以参考书籍获得更多知识

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