简明网络I/O模型---同步异步阻塞非阻塞之惑

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Java I/O 的相关方法如下所述：

同步并阻塞 (I/O 方法)：服务器实现模式为一个连接启动一 个线程，每个线程亲自处理 I/O 并且一直等待 I/O 直到完成，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。但是如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改 善这个缺点。I/O 的局限是它是面向流的、阻塞式的、串行的一个过程。对每一个客户端的 Socket 连接 I/O 都需要一个线程来处理，而且在此期间，这个线程一直被占用，直到 Socket 关闭。在这期间，TCP 的连接、数据的读取、数据的返回都是被阻塞的。也就是说这期间大量浪费了 CPU 的时间片和线程占用的内存资源。此外，每建立一个 Socket 连接时，同时创建一个新线程对该 Socket 进行单独通信 (采用阻塞的方式通信)。这种方式具有很快的响应速度，并且控制起来也很简单。在连接数较少的时候非常有效，但是如果对每一个连接都产生一个线程无疑是对 系统资源的一种浪费，如果连接数较多将会出现资源不足的情况；

同步非阻塞 (NIO 方法，JDK1.4引入)：服 务器实现模式为一个请求启动一个线程，每个线程亲自处理 I/O，但是另外的线程轮询检查是否 I/O 准备完毕，不必等待 I/O 完成，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处理。NIO 则是面向缓冲区，非阻塞式的，基于选择器的，用一个线程来轮询监控多个数据传输通道，哪个通道准备好了 (即有一组可以处理的数据) 就处理哪个通道。服务器端保存一个 Socket 连接列表，然后对这个列表进行轮询，如果发现某个 Socket 端口上有数据可读时，则调用该 Socket 连接的相应读操作；如果发现某个 Socket 端口上有数据可写时，则调用该 Socket 连接的相应写操作；如果某个端口的 Socket 连接已经中断，则调用相应的析构方法关闭该端口。这样能充分利用服务器资源，效率得到大幅度提高；

异步非阻塞 (AIO 方法，JDK7 发布)：服 务器实现模式为一个有效请求启动一个线程，客户端的 I/O 请求都是由操作系统先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，每个线程不必亲自处理 I/O，而是委派操作系统来处理，并且也不需要等待 I/O 完成，如果完成了操作系统会另行通知的。该模式采用了 Linux 的 epoll 模型。

 

网络I/O模型

人多了，就会有问题。web刚出现的时候，光顾的人很少。近年来网络应用规模逐渐扩大，应用的架构也需要随之改变。C10k的问题，让工程师们需要思考服务的性能与应用的并发能力。

网络应用需要处理的无非就是两大类问题，网络I/O，数据计算。相对于后者，网络I/O的延迟，给应用带来的性能瓶颈大于后者。网络I/O的模型大致有如下几种：

• 同步模型（synchronous I/O）
  • 阻塞I/O（bloking I/O）
  • 非阻塞I/O（non-blocking I/O）
  • 多路复用I/O（multiplexing I/O）
  • 信号驱动式I/O（signal-driven I/O）
• 异步I/O（asynchronous I/O）

网络I/O的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，I/O可以理解为对流的操作。这个操作又分为两个阶段：

1. 等待流数据准备（wating for the data to be ready）。
2. 从内核向进程复制数据（copying the data from the kernel to the process）。

对于socket流而已，

• 第一步通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。
• 第二步把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

I/O模型

举个简单比喻，来了解这几种模型。网络IO好比钓鱼，等待鱼上钩就是网络中等待数据准备好的过程，鱼上钩了，把鱼拉上岸就是内核复制数据阶段。钓鱼的人就是一个应用进程。

阻塞I/O（bloking I/O）

阻塞I/O是最流行的I/O模型。它符合人们最常见的思考逻辑。阻塞就是进程 "被" 休息, CPU处理其它进程去了。在网络I/O的时候，进程发起recvform系统调用，然后进程就被阻塞了，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络I/O。大致如下图：

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这就好比我们去钓鱼，抛竿之后就一直在岸边等，直到等待鱼上钩。然后再一次抛竿，等待下一条鱼上钩，等待的时候，什么事情也不做，大概会胡思乱想吧。

阻塞IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了

非阻塞I/O（non-bloking I/O）

在网络I/O时候，非阻塞I/O也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞I/O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"。

也就是说非阻塞的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。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。

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我们再用钓鱼的方式来类别，当我们抛竿入水之后，就看下鱼漂是否有动静，如果没有鱼上钩，就去干点别的事情，比如再挖几条蚯蚓。然后不久又来看看鱼漂是否有鱼上钩。这样往返的检查又离开，直到鱼上钩，再进行处理。

非阻塞 IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据是否准备好。

多路复用I/O（multiplexing I/O）

可以看出，由于非阻塞的调用，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间。结合前面两种模式。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。多路复用正好处理这样的问题。

多路复用有两个特别的系统调用select或poll。select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于---前者可以等待多个socket，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，当然这个过程是阻塞的。多路复用有两种阻塞，select或poll调用之后，会阻塞进程，与第一种阻塞不同在于，此时的select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。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。也可以理解为"非阻塞"吧。

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对于多路复用，也就是轮询多个socket。钓鱼的时候，我们雇了一个帮手，他可以同时抛下多个钓鱼竿，任何一杆的鱼一上钩，他就会拉杆。他只负责帮我们钓鱼，并不会帮我们处理，所以我们还得在一帮等着，等他把收杆。我们再处理鱼。多路复用既然可以处理多个I/O，也就带来了新的问题，多个I/O之间的顺序变得不确定了，当然也可以针对不同的编号。

多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。对于监视的方式，又可以分为 select， poll， epoll三种方式。

了解了前面三种模式，在用户进程进行系统调用的时候，他们在等待数据到来的时候，处理的方式不一样，直接等待，轮询，select或poll轮询，第一个过程有的阻塞，有的不阻塞，有的可以阻塞又可以不阻塞。当时第二个过程都是阻塞的。从整个I/O过程来看，他们都是顺序执行的，因此可以归为同步模型(asynchronous)。都是进程主动向内核检查。

异步I/O（asynchronous I/O）

相对于同步I/O，异步I/O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。I/O两个阶段，进程都是非阻塞的。

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比之前的钓鱼方式不一样，这一次我们雇了一个钓鱼高手。他不仅会钓鱼，还会在鱼上钩之后给我们发短信，通知我们鱼已经准备好了。我们只要委托他去抛竿，然后就能跑去干别的事情了，直到他的短信。我们再回来处理已经上岸的鱼。

同步和异步的区别

通过对上述几种模型的讨论，需要区分阻塞和非阻塞，同步和异步。他们其实是两组概念。区别前一组比较容易，后一种往往容易和前面混合。在我看来，所谓同步就是在整个I/O过程。尤其是拷贝数据的过程是阻塞进程的，并且都是应用进程态去检查内核态。而异步则是整个过程I/O过程用户进程都是非阻塞的，并且当拷贝数据的时是由内核发送通知给用户进程。

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对于同步模型，主要是第一阶段处理方法不一样。而异步模型，两个阶段都不一样。这里我们忽略了信号驱动模式。这几个名词还是容易让人迷惑，只有同步模型才考虑阻塞和非阻塞，因为异步肯定是非阻塞，异步非阻塞的说法感觉画蛇添足。

本文所讨论的IO模型来自大名鼎鼎的《unix网络编程：卷1套接字联网API》。单台服务器中的linux系统。分布式的环境或许会不一样。个人学习笔记，参考了网络上大多数文章，做了一点小测试。

文／人世间（简书作者）
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