各种IO模型，一篇打尽

Posted 2021-04-25 支付技术那些事

一、阻塞/非阻塞-同步非同步

同步/异步

同步请求：A调用B，B的处理是同步的，在处理完之前他不会通知A，只有处理完之后才会明确的通知A;

异步请求：A调用B，B的处理是异步的，B在接到请求后先告诉A我已经接到请求了，然后异步去处理，处理完之后通过回调等方式再通知A。

同步/异步区别

同步和异步最大的区别就是被调用方的执行方式和返回时机;

同步指的是被调用方做完事情之后再返回;

异步指的是被调用方先返回，然后再做事情，做完之后再想办法通知调用方。

阻塞/非阻塞

阻塞请求：A调用B，A一直等着B的返回，别的事情什么也不干;

非阻塞请求：A调用B，A不用一直等着B的返回，先去忙别的事情了。

阻塞/非阻塞区别

阻塞和非阻最大的区别就是在被调用方返回结果之前的这段时间内，调用方是否一直等待。

阻塞指的是调用方一直等待，别的事情什么都不做;

非阻塞指的是调用方先去忙别的事情。

阻塞/非阻塞和同步/异步的区别

阻塞、非阻塞和同步、异步其实针对的对象是不一样的

阻塞、非阻塞说的是调用者

同步、异步说的是被调用者

二、Linux(UNIX)操作系统五种IO模型

什么是IO

拿一次磁盘文件读取为例，我们要读取的文件是存储在磁盘上的，我们的目的是把它读取到内存中。可以把这个步骤简化成把数据从硬件（硬盘）中读取到用户空间中。

一次完整的钓鱼（IO）操作，是鱼（文件）从鱼塘（硬盘）中转移（拷贝）到鱼篓（用户空间）的过程。

阻塞IO模型

阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型，一般表现为进程或线程等待某个条件，如果条件不满足，则一直等下去。条件满足，则进行下一步操作。

应用程序进行 recvfrom 系统调用时将阻塞在此调用，直到该套接字上有数据并且复制到用户空间缓冲区。该模式一般配合多线程使用，应用进程每接收一个连接，为此连接创建一个线程来处理该连接上的读写以及业务处理。

非阻塞IO模型

应用进程与内核交互，目的未达到之前，不再一味的等着，而是直接返回。然后通过轮询的方式，不停的去问内核数据准备有没有准备好。如果某一次轮询发现数据已经准备好了，那就把数据拷贝到用户空间中。

应用进程通过 recvfrom 调用不停的去和内核交互，直到内核准备好数据。如果没有准备好，内核会返回error，应用进程在得到error后，过一段时间再发送recvfrom请求。在两次发送请求的时间段，进程可以先做别的事情。

IO复用模型

多个进程的IO可以注册到同一个管道上，这个管道会统一和内核进行交互。当管道中的某一个请求需要的数据准备好之后，进程再把对应的数据拷贝到用户空间中。

IO多路转接是多了一个select函数，多个进程的IO可以注册到同一个select上，当用户进程调用该select，select会监听所有注册好的IO，如果所有被监听的IO需要的数据都没有准备好时，select调用进程会阻塞。

信号驱动IO模型

应用进程在读取文件时通知内核，如果某个 socket 的某个事件发生时，请向我发一个信号。在收到信号后，信号对应的处理函数会进行后续处理。

异步IO模型

应用进程把IO请求传给内核后，完全由内核去操作文件拷贝。内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次IO已经完成。

5种IO模型对比

三、Java中的三种IO模型

java IO模型和操作系统IO模型关系

Java中的IO还是借助操作系统的IO模型的，只不过是对操作系统IO模型的封装而已啦。

可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解为是Java语言对操作系统的各种IO模型的封装。

java中提供的IO有关的API，在文件处理的时候，其实依赖操作系统层面的IO操作实现的。

比如在Linux 2.6以后，Java中NIO和AIO都是通过epoll来实现的，而在Windows上，AIO是通过IOCP来实现的。

阻塞IO（BIO）

同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。

BIO （Blocking I/O）：有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是，叫一个线程停留在一个水壶那，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。但是实际上线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

BIO和NIO都是同步的IO模型，即同步阻塞IO和同步非阻塞IO

非阻塞IO（NIO）

同时支持阻塞与非阻塞模式，但主要是使用同步非阻塞IO。

NIO （New I/O）：NIO的做法是叫一个线程不断的轮询每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。

异步IO（AIO）

异步非阻塞I/O模型。

异步IO指的是异步非阻塞IO。

AIO （ Asynchronous I/O）：为每个水壶上面装了一个开关，水烧开之后，水壶会自动通知我水烧开了。

四、Reactor 模式

Reactor 模式跟 IO 模型关系

Reactor 模式跟 IO 模型中的 IO 多路复用模型非常相似

IO 多路复用模型可以看成是 Reactor 模式在 IO 模型上的应用

Reactor 模式在进程-线程模型上的应用。

1. 单进程单线程

只有一个进程，监听套接字和连接套接字上的事件都由 Select 来处理。

过程

(1) 如果有建立连接的请求过来，Acceptor 负责接受并与之建立连接，同时将连接套接字加入 Select 进行监听。

(2) 如果某个连接上有读事件则进行 Read->业务处理->Write 等操作。

(3) 如此循环反复。

缺点：会有阻塞，在进行业务处理的时候不能进行其他操作：如建立连接，读取其他套接字上的数据等。

2. 单进程多线程

与单进程单线程类似，不同的是该模型将业务处理放在线程中，进程就不会阻塞在业务处理上。

优点：比较完美的进程-线程模型，在 Java 实现中复杂度也不高，很多网络库都是基于此，比如 Netty 。

3. 多进程单线程

与非 Reactor 模式中的多进程单线程相似，只是本模式在子进程中使用了 IO 多路复用，实用性一下就上来了。大名鼎鼎的 nginx 就采用这种进程-线程模型。

缺点：子进程还是会阻塞在业务处理上。

4. 多进程多线程

5. 主从进程多线程

前面几种 Reactor 模式的进程-线程模型中，连接的建立和连接的读写都是在同一进程中。本模型中将连接的建立和连接读写放在不同的进程中。

过程

(1) 主进程在监听套接字上 Select 阻塞，一旦有请求过来则与之建立连接，并将连接套接字传递给从进程。

(2) 从进程在连接套接字上 Select 阻塞，一旦连接上有数据过来则进行 Read，并将业务通过线程来处理。如果有必要还会向连接 Write 数据。

五、常见组件使用的模型

netty-主从-多线程

tomcat-单进程多线程

redis-单进程单线程

ngnix-多进程单线程