IO的阻塞与非阻塞、同步与异步以及Java网络IO交互方式

　　最近工作中，接触到了Java网络编程方面的东西：Socket、NIO、MongoDB等，也看了tomcat的源码，也加强了线程方面的知识，也使用了MINA这样的框架。感觉获益良多，原本技术上的薄弱环节也在慢慢提高，很多想写的东西，也在慢慢规划整理。无奈最近在筹备婚礼的事情，显得有些耽搁。

　　想了很久，决定先写写IO中经常被提到的概念——“同步与异步、阻塞与非阻塞”以及在Java网络编程中的简单运用。

　　想达到的目的有两个：

　　1。深入的理解同步与异步、阻塞与非阻塞，这看似烂大街的词汇很多人已经习惯不停的说，但却说不出其中的所以然，包括我。

　　2。理解各种IO模型在Java网络IO中的运用，能够根据不同的应用场景选择合适的交互方式。了解不同的交互方式对IO性能的影响。

前提

　　首先先强调上下文：下面提到了同步与异步、阻塞与非阻塞的概念都是在IO的场合下。它们在其它场合下有着不同的含义，比如操作系统中，通信技术上。

　　然后借鉴下《Unix网络编程卷》中的理论：

　　IO操作中涉及的2个主要对象为程序进程、系统内核。以读操作为例，当一个IO读操作发生时，通常经历两个步骤：

　　1，等待数据准备

　　2，将数据从系统内核拷贝到操作进程中

　　例如，在socket上的读操作，步骤1会等到网络数据包到达，到达后会拷贝到系统内核的缓冲区；步骤2会将数据包从内核缓冲区拷贝到程序进程的缓冲区中。

阻塞（blocking）与非阻塞（non-blocking）IO

　　IO的阻塞、非阻塞主要表现在一个IO操作过程中，如果有些操作很慢，比如读操作时需要准备数据，那么当前IO进程是否等待操作完成，还是得知暂时不能操作后先去做别的事情？一直等待下去，什么事也不做直到完成，这就是阻塞。抽空做些别的事情，这是非阻塞。

　　非阻塞IO会在发出IO请求后立即得到回应，即使数据包没有准备好，也会返回一个错误标识，使得操作进程不会阻塞在那里。操作进程会通过多次请求的方式直到数据准备好，返回成功的标识。

　　想象一下下面两种场景：

　　A 小明和小刚两个人都很耿直内向，一天小明来找小刚借书：“小刚啊，你那本XXX借我看看”。于是小刚就去找书，小明就等着，找了半天找到了，把书给了小明。

　　B 小明和小刚两个人都很活泼外向，一天小明来找小刚借书：“嘿小刚，你那本XXX借我看看”。小刚说：“我得找一会”，小明就去打球去了。过会又来，这次书找到了，把书给了小明。

　　结论：A是阻塞的，B是非阻塞的。

　　从CPU角度可以看出非阻塞明显提高了CPU的利用率，进程不会一直在那等待。但是同样也带来了线程切换的增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

同步（synchronous）与异步（asynchronous）IO

　　先来看看正式点的定义，POSIX标准将IO模型分为了两种：同步IO和异步IO，Richard Stevens在《Unix网络编程卷》中也总结道：

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;

　　可以看出，判断同步和异步的标准在于：一个IO操作直到完成，是否导致程序进程的阻塞。如果阻塞就是同步的，没有阻塞就是异步的。这里的IO操作指的是真实的IO操作，也就是数据从内核拷贝到系统进程（读）的过程。

　　继续前面借书的例子，异步借书是这样的：

　　C 小明很懒，一天小明来找小刚借书：“嘿小刚，你那本XXX借我看看”。小刚说：“我得找一会”，小明就出去打球了并且让小刚如果找到了就把书拿给他。小刚是个负责任的人，找到了书送到了小明手上。

　　A和B的借书方式都是同步的，有人要问了B不是非阻塞嘛，怎么还是同步？

　　前面说了IO操作的2个步骤：准备数据和把数据从内核中拷贝到程序进程。映射到这个例子，书即是准备的数据，小刚是内核，小明是程序进程，小刚把书给小明这是拷贝数据。在B方式中，小刚找书这段时间小明的确是没闲着，该干嘛干嘛，但是小刚找到书把书给小明的这个过程也就是拷贝数据这个步骤，小明还是得乖乖的回来候着小刚把书递手上。所以这里就阻塞了，根据上面的定义，所以是同步。

　　在涉及到 IO 处理时通常都会遇到一个是同步还是异步的处理方式的选择问题。同步能够保证程序的可靠性，而异步可以提升程序的性能。小明自己去取书不管等着不等着迟早拿到书，指望小刚找到了送来，万一小刚忘了或者有急事忙别的了，那书就没了。

讨论

　　说实话，网上关于同步与异步、阻塞与非阻塞的文章多之又多，大部分是拷贝的，也有些写的非常好的。参考了许多，也借鉴了许多，也经过自己的思考。

　　同步与异步、阻塞与非阻塞之间确实有很多相似的地方，很容易混淆。wiki更是把异步与非阻塞画上了等号，更多的人还是认为他们是不同的。原因可能有很多，每个人的知识背景不同，设定的上下文也不同。

　　我的看法是：在IO中，根据上面同步异步的概念，也可以看出来同步与异步往往是通过阻塞非阻塞的形式来表达的，并且是通过一种中间处理机制来达到异步的效果。同步与异步往往是IO操作请求者和回应者之间在IO实际操作阶段的协作方式，而阻塞非阻塞更确切的说是一种自身状态，当前进程或者线程的状态。

　　在发出IO读请求后，阻塞IO会一直等待有数据可读，当有数据可读时，会等待数据从内核拷贝至系统进程；而非阻塞IO都会立即返回。至于数据怎么处理是程序进程自己的事情，无关同步和异步。　

两种方式的组合

　　组合的方式当然有四种，分别是：同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞、异步非阻塞。

Java网络IO实现和IO模型

　　不同的操作系统上有不同的IO模型，《Unix网络编程卷》将unix上的IO模型分为5类：blocking I/O、nonblocking I/O、I/O multiplexing (select and poll)、signal driven I/O (SIGIO)以及asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)。具体可参考《Unix网络编程卷1》6.2章节。

　　在windows上IO模型也是有5种：select 、WSAAsyncSelect、WSAEventSelect、Overlapped I/O 事件通知以及IOCP。具体可参考windows五种IO模型。
　　Java是平台无关的语言，在不同的平台上会调用底层操作系统的不同的IO实现，下面就来说一下Java提供的网络IO的工具和实现，为了扩大阻塞非阻塞的直观感受，我都使用了长连接。

阻塞IO

　　同步阻塞最常用的一种用法，使用也是最简单的，但是 I/O 性能一般很差，CPU 大部分在空闲状态。下面是一个简单的基于TCP的同步阻塞的Socket服务端例子：

 1     @Test
 2     public void testJIoSocket() throws Exception
 3     {
 4         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10002);
 5         Socket socket = null;
 6         try
 7         {
 8             while (true)
 9             {
10                 socket = serverSocket.accept();
11                 System.out.println("socket连接：" + socket.getRemoteSocketAddress().toString());
12                 BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
13                 while(true)
14                 {
15                     String readLine = in.readLine();
16                     System.out.println("收到消息" + readLine);
17                     if("end".equals(readLine))
18                     {
19                         break;
20                     }
21                     //客户端断开连接
22                     socket.sendUrgentData(0xFF);
23                 }
24             }
25         }
26         catch (SocketException se)
27         {
28             System.out.println("客户端断开连接");
29         }
30         catch (IOException e)
31         {
32             e.printStackTrace();
33         }
34         finally
35         {
36             System.out.println("socket关闭：" + socket.getRemoteSocketAddress().toString());
37             socket.close();
38         }
39     }

　　使用SocketTest作为客户端工具进行测试，同时开启2个客户端连接Server端并发送消息，如下图：

　　再看下后台的打印

socket连接：/127.0.0.1:54080
收到消息hello!
收到消息my name is client1

　　由于服务器端是单线程的，在第一个连接的客户端阻塞了线程后，第二个客户端必须等待第一个断开后才能连接。当输入“end”字符串断开客户端1，这时候看到后台继续打印：

socket连接：/127.0.0.1:54080
收到消息hello!
收到消息my name is client1
收到消息end
socket关闭：/127.0.0.1:54080
socket连接：/127.0.0.1:54091
收到消息hello!
收到消息my name is client2

　　所有的客户端连接在请求服务端时都会阻塞住，等待前面的完成。即使是使用短连接，数据在写入 OutputStream 或者从 InputStream 读取时都有可能会阻塞。这在大规模的访问量或者系统对性能有要求的时候是不能接受的。

阻塞IO + 每个请求创建线程/线程池

　　通常解决这个问题的方法是使用多线程技术，一个客户端一个处理线程，出现阻塞时只是一个线程阻塞而不会影响其它线程工作；为了减少系统线程的开销，采用线程池的办法来减少线程创建和回收的成本，模式如下图：

　　简单的实现例子如下，使用一个线程（Accptor）接收客户端请求，为每个客户端新建线程进行处理（Processor），线程池的我就不弄了：

public class MultithreadJIoSocketTest
{
    @Test
    public void testMultithreadJIoSocket() throws Exception
    {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(10002);
        Thread thread = new Thread(new Accptor(serverSocket));
        thread.start();
        
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        scanner.next();
    }
    
    public class Accptor implements Runnable
    {
        private ServerSocket serverSocket;
        
        public Accptor(ServerSocket serverSocket)
        {
            this.serverSocket = serverSocket;
        }

        public void run()
        {
            while (true)
            {
                Socket socket = null;
                try
                {
                    socket = serverSocket.accept();
                    if(socket != null)
                    {
                        System.out.println("收到了socket：" + socket.getRemoteSocketAddress().toString());
                        Thread thread = new Thread(new Processor(socket));
                        thread.start();
                    }
                }
                catch (IOException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    
    public class Processor implements Runnable
    {
        private Socket socket;
        
        public Processor(Socket socket)
        {
            this.socket = socket;
        }
        
        @Override
        public void run()
        {
            try
            {
                BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                String readLine;
                while(true)
                {
                    readLine = in.readLine();
                    System.out.println("收到消息" + readLine);
                    if("end".equals(readLine))
                    {
                        break;
                    }
                    //客户端断开连接
                    socket.sendUrgentData(0xFF);
                    Thread.sleep(5000);
                }
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
               e.printStackTrace();
            }
            catch (SocketException se)
            {
                System.out.println("客户端断开连接");
            }
            catch (IOException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
            finally {
                try
                {
                    socket.close();
                }
                catch (IOException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        
    }
}

　　使用2个客户端连接，这次没有阻塞，成功的收到了2个客户端的消息。

收到了socket：/127.0.0.1:55707
收到了socket：/127.0.0.1:55708
收到消息hello!
收到消息hello!

　　在单个线程处理中，我人为的使单个线程read后阻塞5秒，就像前面说的，出现阻塞也只是在单个线程中，没有影响到另一个客户端的处理。

　　这种阻塞IO的解决方案在大部分情况下是适用的，在出现NIO之前是最通常的解决方案，Tomcat里阻塞IO的实现就是这种方式。但是如果是大量的长连接请求呢？不可能创建几百万个线程保持连接。再退一步，就算线程数不是问题，如果这些线程都需要访问服务端的某些竞争资源，势必需要进行同步操作，这本身就是得不偿失的。

非阻塞IO + IO multiplexing

　　Java从1.4开始提供了NIO工具包，这是一种不同于传统流IO的新的IO方式，使得Java开始对非阻塞IO支持；NIO并不等同于非阻塞IO，只要设置Blocking属性就可以控制阻塞非阻塞。至于NIO的工作方式特点原理这里一概不说，以后会写。模式如下图：

　　下面是简单的实现：

public class NioNonBlockingSelectorTest
{
    Selector selector;
    private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    @Test
    public void testNioNonBlockingSelector()
        throws Exception
    {
        selector = Selector.open();
        SocketAddress address = new InetSocketAddress(10002);
        ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
        channel.socket().bind(address);
        channel.configureBlocking(false);
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        
        while(true)
        {
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {          
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();  
                iterator.remove();  
                handleKey(selectionKey);  
            }  
        }
    }
    
    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException
    {
        ServerSocketChannel server = null;
        SocketChannel client = null;
        if(selectionKey.isAcceptable())
        {
            server = (ServerSocketChannel)selectionKey.channel();
            client = server.accept();
            System.out.println("客户端： " + client.socket().getRemoteSocketAddress().toString());
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        if(selectionKey.isReadable())
        {
            client = (SocketChannel)selectionKey.channel();
            receivebuffer.clear();  
            int count = client.read(receivebuffer);   
            if (count > 0) {  
                String receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);  
                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:" + receiveText);  
                client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
            }
        }
    }
    
}

　 Java NIO提供的非阻塞IO并不是单纯的非阻塞IO模式，而是建立在Reactor模式上的IO复用模型；在IO multiplexing Model中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是整个用户进程其实是一直被阻塞的。只不过进程是被select这个函数阻塞，而不是被socket IO给阻塞，所以还是属于非阻塞的IO。

　　这篇文章中把这种模式归为了异步阻塞，我其实是认为这是同步非阻塞的，可能看的角度不一样。

异步IO

　　Java1.7中提供了异步IO的支持，暂时还没有看过，所以以后再讨论。

网络IO优化

　　对于网络IO有一些基本的处理规则如下：

　　1。减少交互的次数。比如增加缓存，合并请求。

　　2。减少传输数据大小。比如压缩后传输、约定合理的数据协议。

　　3。减少编码。比如提前将字符转化为字节再传输。

　　4。根据应用场景选择合适的交互方式，同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞。

就说到这里吧，感觉有点乱，有些地方还是找不到更贴切的语言来描述。

posted @ 2012-09-28 16:14 朱样年华阅读(21512) 评论(6) 编辑收藏举报

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IO的阻塞与非阻塞、同步与异步以及Java网络IO交互方式

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