四种常用IO模型

Posted 2020-09-11 myJavaEE

1) 同步阻塞IO（Blocking IO）
2) 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）
3) IO多路复用（IO Multiplexing）
4) 异步IO（Asynchronous IO）

注意以下概念:

1.同步/异步

同步和异步是相对的
同步 前后两件任务, 有严格的顺序一致性(依赖和递进), 按顺序执行, 执行完一个再执行下一个, 需要等待、协调运行
异步 对顺序的要求和依赖关系没那么强, 表现出来就是两个任务可以分给两个人做, 在等待任务A结束时(同步点前)可以进行任务B
多线程就是实现异步的一个方式, 它把"第二件任务"交给其他的线程去做了. 硬件的DMA也是异步.

在实际编程中, 同步和异步区分了请求与响应的交互中, 获取响应的方式
同步: 请求某种结果, 响应返回所需结果
异步: 请求\'给我结果\', 第一次响应回答\'我知道了\', 第二次响应通知请求线程\'已完成\' (通过状态通知或调用请求者注册的回调函数等方式)

2.阻塞/非阻塞

阻塞和非阻塞也是相对概念
阻塞   : 请求-响应比较耗时, 如IO操作
非阻塞: 请求-响应比较迅速, 如没有等待IO完成就直接返回状态值
socket的非阻塞IO需要设置为NONBLOCK

 

下列内容节选自 http://www.cnblogs.com/fanzhidongyzby/p/4098546.html, 感谢原作者!

1.同步阻塞IO

最简单的IO模型，用户线程在读写时被阻塞

数据拷贝指请求到的数据先存放在内核空间, 然后从内核空间拷贝至程序的缓冲区

伪代码如下

{
    // read阻塞
    read(socket, buffer);
    // 处理buffer          
    process(buffer);
}

用户线程在IO过程中被阻塞，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不高

 

2. 同步非阻塞

用户线程不断发起IO请求. 数据未到达时系统返回一状态值; 数据到达后才真正读取数据

伪代码如下

{
    // read非阻塞   
    while(read(socket, buffer) != SUCCESS);
    process(buffer);
}

用户线程每次请求IO都可以立即返回，但是为了拿到数据，需不断轮询，无谓地消耗了大量的CPU
一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性

3. IO多路复用

IO多路复用建立在内核提供的阻塞函数select上

用户先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后等待阻塞函数select返回。当数据到达后，socket被激活，select返回，用户线程就能接着发起read请求

伪代码如下:

{
    // 注册
    select(socket);
    // 轮询
    while(true) {
        // 阻塞
        sockets = select();
        // 数据到达, 解除阻塞
        for(socket in sockets) {
            if(can_read(socket)) {
            // 数据已到达, 那么socket阻不阻塞无所谓
　　　　　　　read(socket, buffer);
            process(buffer);
            }
        }
    }
}

看起来和加了循环的同步阻塞IO差不多?

实际上, 我们可以给select注册多个socket, 然后不断调用select读取被激活的socket，实现在同一线程内同时处理多个IO请求的效果.

至此, 同步阻塞(阻塞在select) / 同步非阻塞(IO没有阻塞) {不知道该怎么称呼}完成

更进一步, 我们把select轮询抽出来放在一个线程里, 用户线程向其注册相关socket或IO请求，等到数据到达时通知用户线程，则可以提高用户线程的CPU利用率.

这样, 便实现了异步方式

这其实是Reactor设计模式, 如下图

EventHandler抽象类表示IO事件处理器
   get_handle方法获得文件句柄Handle
   handle_event方法实现对Handle的操作
可继承EventHandler对事件处理器的行为进行定制

Reactor类管理EventHandler的注册、删除. handle_events方法实现了事件循环, 其不断调用阻塞函数select, 只要某个文件句柄被激活（可读/写等），select就从阻塞中返回, handle_events接着调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操作。handler_events的伪代码如下

Reactor::handle_events() {
    while(true) {
        sockets = select();
        for(socket in sockets) {
            get_event_handler(socket).handle_event();
        }
    }
}

作为功能调用者需要实现的伪代码如下

// 继承EventHandler并重写handle_event()方法
void UserEventHandler::handle_event() {
    if(can_read(socket)) {
    // 数据已到达, 那么socket阻不阻塞无所谓
    read(socket, buffer);
    process(buffer);
    }
}
// 注册实现的EventHandler子类
{
    Reactor.register(new UserEventHandler(socket));
}

IO多路复用是最常使用的IO模型，因其轮询select的线程会被阻塞, 异步程度还不够“彻底”, 所以常被称为异步阻塞IO

 

4. 异步IO

真正的异步IO需要操作系统更强的支持。
IO多路复用模型中，数据到达内核后通知用户线程，用户线程负责从内核空间拷贝数据;
而在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被操作系统从内核拷贝到用户指定的缓冲区内，用户线程直接使用即可。

异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。

Reactor模式中，用户线程向Reactor对象注册事件对应的事件处理器，然后事件触发时Reactor调用事件处理函数。
Proactor模式中，用户线程将AsynchronousOperation（读/写等）、Proactor以及操作完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。
AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步API（读/写等）供用户调用. 当用户线程调用异步API后，便继续执行下一步代码. 而此时AsynchronousOperationProcessor会开启独立的内核线程执行异步操作。
当read请求的数据到达时，由内核负责读取socket中的数据，并写入用户指定的缓冲区中。
异步IO完成时，AsynchronousOperationProcessor将Proactor和CompletionHandler取出，并将IO操作结果和CompletionHandler分发给Proactor，Proactor通知用户线程(即回调先前注册的事件完成处理类的函数handle_event)。
Proactor一般被实现为单例，以便于集中分发操作完成事件。

伪代码如下

// 继承CompletionHandler, buffer为用户线程指定的缓冲区
void UserCompletionHandler::handle_event(buffer) {
    process(buffer);
}

// 调用异步的read函数
{
    aio_read(socket, new UserCompletionHandler);
}

相比于IO多路复用，异步IO并不常用，因为目前操作系统对异步IO的支持并不完善，IO多路复用也基本够用. 有很多做法是用IO多路复用模型模拟异步IO（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区中）。
JDK7已经支持了AIO, netty采用过又放弃了, 据说是性能并没有多路复用好.