理解同步,异步,阻塞,非阻塞,多路复用,事件驱动IO

以下是IO的一个基本过程

 

先理解一下用户空间和内核空间，系统为了保护内核数据，会将寻址空间分为用户空间和内核空间，32位机器为例，高1G字节作为内核空间，低3G字节作为用户空间。当用户程序读取数据的时候，会经历两个过程：磁盘到内核空间（这块消耗性能，下面简称内核数据准备），内核空间拷贝到用户空间（下面简称用户空间拷贝）。

 

 

内核数据准备这部分是由DMA芯片实现的，而用户空间拷贝的实现则是由CPU实现的，后者非常快，能到1G以上，所以，所谓的阻塞基本是内核数据准备的过程，这块消耗时间。为啥呢？简单的理解就是，磁盘和内核缓存的速度本身就存在很大的差距。

基于这个前提，聊一下同步异步IO，阻塞非阻塞IO

同步异步是基于任务序列可靠性的角度区分，当一个任务依赖另外一个任务时，

同步就是，只有等被依赖的任务完成之后，依赖任务才算完成，是一种可靠任务序列。比如打电话。

异步就是，只是通知被依赖任务去做某件事情，由被依赖任务完成之后通知依赖任务，但是不能保证被依赖任务完成，是一个不可靠任务序列。比如发短信。

同步异步的选择其实就是可靠性和性能之前的取舍和平衡。

 

而阻塞非阻塞则是从CPU消耗的角度去区分。

阻塞就是让CPU闲置，等IO等慢操作完成之后再继续。

非阻塞则是在等IO等慢操作的完成的同时，CPU去做一些其他事情。存在上下文切换。

阻塞非阻塞的选择就是在CPU利用率和系统切换成本之间的平衡。

 

上面四者两两组合情况如下

 

接下来了解一下linux下的几种IO模型

当我们进行IO操作的时候，如果被调用者将任务全部执行完返回，称为同步/阻塞 IO。

 

如果被调用者，不管没有操作成功，直接返回一个结果码，但是不再主动通知后续结果，称为非阻塞IO；这种情况下需要重复调用查询状态。

 

如果被调用者，不管有没有操作成功，直接返回个结果码，等到全部操作完成之后再发一个信号通知调用者，称为异步IO。

 

举个例子：

家里有个专门帮忙做饭的阿姨，有一天我想喝水了，我让阿姨帮忙烧一壶水。

我看着她去烧水，灌水，给我倒水，期间没有做其他任何事情，这就是同步。

我想着也不用一直等，可以先看会儿电视，我就隔一会儿来看一次，隔一会儿来看一次，这叫非阻塞。

再想想，这也烦，我索性跟阿姨说，好了叫我一声，然后就去看电视去了，这叫异步。

 

而IO多路复用，信号驱动IO则是基于前面四个模型的衍生。

IO多路复用是基于阻塞IO的衍生，主要是为了提高内核空间数据准备这一块的功能复用，即阻塞的同时监听多个端口，有一个端口有数据就进行处理，提高性能。

 

信号驱动IO则是在内核空间数据准备这一块采用异步，在用户空间拷贝这一块采用同步。

 

 

Java中的IO则分为以下几种

同步阻塞IO（Java IO）

l  用户进程发起一个IO操作之后，必须等待IO操作完成。

同步非阻塞IO（Java NIO）

l  用户发起一个IO操作之后，返回做其他事情，时不时的去询问IO是否就绪。

多路复用IO

l  用户发起一个IO操作之后，返回，等内核完成IO之后通知应用程序，这里的阻塞是指返回之后并没有做其他是，而是一并监听多个文件句柄，在select函数中，提高系统并发性。

异步非阻塞IO（Java NIO2）

l  用户发起一个IO操作之后，返回，等待 内核数据准备 和 用户空间拷贝都完成之后通知应用进程，中有实现。

 

 

NIO中的概念

Buffer：高效的数据容器，除了布尔类型，所有数据类型都有相应的Buffer实现。

Channel：作用类似Linux系统中的文件描述符，是用于支持抽象批量IO的一种抽象。相对于File/Socket：Channel是更加接近操作系统底层的一种抽象。

Selector：是NIO中多路复用的基础，可以同时检测注册在Selector上的多个Channel，进而对准备好的任一Channel进行处理。（这部分在linux中依赖epoll，windows上依赖iocp）

Charset,提供了字符编解码器，可以实现字符到ByteBuffer的转换。

内存映射：可以将内核空间地址和用户空间地址映射到同一物理地址

 

零拷贝技术：数据只在内核空间流转，没有经过用户空间。