眾所周知 ，如果去百度、騰訊等一線大廠面試，一定會深入考候選人的基礎(chǔ)技術(shù)功底，其中尤為關(guān)鍵和重視的就是IO相關(guān)的技術(shù)和知識。

而要搞明白IO相關(guān)的概念，首先就得弄清楚同步與異步，阻塞與非阻塞到底是什么意思。

同步與異步

想要搞明白IO模型，就先得搞明白“同步”與“異步”的關(guān)系。

所謂的“?同步?”，比如說調(diào)用者去調(diào)用一個接口，這個接口比如要執(zhí)行一些磁盤文件讀寫操作，或者是網(wǎng)絡(luò)通信操作。

假設(shè)是“同步”的模式，調(diào)用者必須要等待這個接口的磁盤讀寫或者網(wǎng)絡(luò)通信的操作執(zhí)行完畢了，調(diào)用者才能返回，這就是“同步”，如下圖所示：

所謂的“?異步?”，就是說這個調(diào)用者調(diào)用接口之后，直接就返回了，他去干別的事兒了，也不管那個接口的磁盤讀寫或者是網(wǎng)絡(luò)通信是否成功。

然后這個接口后續(xù)如果干完了自己的任務(wù)，比如寫完了文件或者是什么的，會反過來通知調(diào)用者，之前你的那個調(diào)用成功了。 可以通過一些內(nèi)部通信機(jī)制來通知，也可以通過回調(diào)函數(shù)來通知，如下圖。

用生活中的例子理解同步與異步

如果給大家舉個生活中的例子，那么就可以用買煙這個事兒來舉個例子

比如說現(xiàn)在你要去一個柜臺買很多條香煙，但是現(xiàn)在柜臺沒那么多貨，他需要打電話給庫房來查一下有沒有足夠的貨。

這個時候，庫房的工作人員正好去吃飯了，那現(xiàn)在你有?兩種選擇：

第一種選擇 ，你可以在柜臺等著，一直等待庫房工作人員回來，柜臺專員打通電話給他查到了庫存是否充足，你再走。

這個就是“ 同步 ”，你找柜臺工作人員買香煙，他要打電話給庫房工作人員問庫存，如果你選擇“同步”模式，那么你就在柜臺一直等著，直到成功查詢到庫存為止。

第二種選擇 ，你可以先回家干點(diǎn)兒別的，比如說洗衣服做飯之類的，然后過了一會兒，柜臺工作人員打通電話給庫房工作人員，查到香煙庫存了，就會打個電話給你，告訴你這個事兒。

這就是“ 異步 ”，你跟柜臺工作人員說了這個事兒，就直接走了，干別的去了，柜臺工作人員后面完成他的任務(wù)之后，就會反過來打電話回調(diào)通知你。

阻塞與非阻塞

實(shí)際上阻塞與非阻塞的概念，通常是針對底層的IO操作來說的。

比如現(xiàn)在我們的程序想要通過網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，如果是阻塞IO模式，一旦發(fā)起請求到操作系統(tǒng)內(nèi)核去從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)，就會?阻塞?在那里，必須要等待網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)到達(dá)了之后，才能從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核，再從內(nèi)核返回給程序，如下圖。

而?非阻塞?，指的就是程序發(fā)送請求給內(nèi)核要從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，但是此時網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還沒到，此時不會阻塞住，內(nèi)核會返回一個異常消息給程序。

程序就可以干點(diǎn)兒別的，然后過一會兒再來發(fā)起一次請求給內(nèi)核，讓內(nèi)核嘗試從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)。

因?yàn)槿绻W(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還沒到位，是不會阻塞住程序的，需要程序自己不斷的輪詢內(nèi)核去嘗試讀取數(shù)據(jù)，所以這種IO就是非阻塞的。如下圖：

大家不要把“同步/異步”概念和“阻塞/非阻塞”概念混淆起來，實(shí)際上他們是兩組不同的概念。

“同步/異步”更多的是針對比如接口調(diào)用，服務(wù)調(diào)用，API類庫調(diào)用，類似這樣的場景。

而“阻塞/非阻塞”概念針對的是底層IO操作的場景，比如磁盤IO，網(wǎng)絡(luò)IO。但是在Java IO模型里，兩種概念之間是有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系的 。

Unix支持的5種IO模型

Unix操作系統(tǒng)支持的IO模型主要就是5種：

阻塞IO ：就是上面圖里的那種阻塞IO模式，程序發(fā)起請求之后會阻塞，一直到系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)到達(dá)了，拷貝數(shù)據(jù)給程序進(jìn)程了，才能返回

非阻塞IO ：就是上面圖里的那種非阻塞IO模式，程序發(fā)起請求讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)還沒到，就返回一個異常信息，程序不會阻塞在IO操作上，但是過一會兒還得再來發(fā)起請求給內(nèi)核，直到內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)了，此時就會拷貝數(shù)據(jù)給程序進(jìn)程

IO多路復(fù)用?：這個下面來講

信號驅(qū)動式IO ：一般很少用到，這里不說明

異步IO?：下面來講

JDK 1.4之前的同步阻塞IO

在JDK 1.4之前，主要就是同步阻塞IO模型，在Java里叫做 BIO 。

在Java代碼里調(diào)用IO相關(guān)接口，發(fā)起IO操作之后，Java程序就會同步等待，這個同步指的是Java程序調(diào)用IO API接口的層面而言。

而IO API在底層的IO操作是基于?阻塞IO?來的，向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起IO請求，系統(tǒng)內(nèi)核會等待數(shù)據(jù)就位之后，才會執(zhí)行IO操作，執(zhí)行完畢了才會返回。

JDK 1.4之后的同步非阻塞NIO

在JDK 1.4之后提供了?NIO?，他的概念是?同步非阻塞?，也就是說如果你調(diào)用NIO接口去執(zhí)行IO操作，其實(shí)還是同步等待的，但是在底層的IO操作上 ，會對系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起非阻塞IO請求，以非阻塞的形式來執(zhí)行IO。

也就是說，如果底層數(shù)據(jù)沒到位，那么內(nèi)核返回異常信息，不會阻塞住，但是NIO接口內(nèi)部會采用非阻塞方式過一會兒再次調(diào)用內(nèi)核發(fā)起IO請求，直到成功為止。

但是之所以說是同步非阻塞，這里的“同步”指的就是因?yàn)樵谀愕腏ava代碼調(diào)用NIO接口層面是同步的，你還是要同步等待底層IO操作真正完成了才可以返回，只不過在執(zhí)行底層IO的時候采用了非阻塞的方式來執(zhí)行罷了。

NIO網(wǎng)絡(luò)通信與IO多路復(fù)用模型

實(shí)際上，如果基于NIO進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采取的就是多路復(fù)用的IO模型，這個多路復(fù)用IO模型針對的是網(wǎng)絡(luò)通信中的IO場景來說的。

簡單來說，就是在基于Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的時候，如果有多個客戶端跟你的服務(wù)端建立了Socket連接，那你就需要維護(hù)多個Socket連接。

而所謂的多路復(fù)用IO模型，就是說你的Java代碼直接通過一個select函數(shù)調(diào)用，直接會進(jìn)入一個同步等待的狀態(tài)。

這也是為什么說NIO一定是“同步”的，因?yàn)槟惚仨氃谶@里同步等待某個Socket連接有請求到來。

接著你就要同步等著select函數(shù)去對底層的多個 Socket 連接進(jìn)行輪詢，不斷的查看各個 Socket 連接誰有請求到達(dá)，就可以讓select函數(shù)返回，交給我們的Java程序來處理。

select函數(shù)在底層會通過非阻塞的方式輪詢各個Socket，任何一個Socket如果沒有數(shù)據(jù)到達(dá)，那么非阻塞的特性會立即返回一個信息。

然后select函數(shù)可以輪詢下一個Socket，不會阻塞在某個Socket上，所以底層是基于這種非阻塞的模式來“監(jiān)視”各個Socket誰有數(shù)據(jù)到達(dá)的。

這就是所謂的“?同步非阻塞?”，但是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)把上述工作都封裝在一個select函數(shù)調(diào)用里了，可以對多路Socket連接同時進(jìn)行監(jiān)視，所以就把這種模型稱之為?“IO多路復(fù)用”模型?。

通過這種IO多路復(fù)用的模型，就可以用一個線程，調(diào)用一個select函數(shù)，然后監(jiān)視大量的客戶端連接了，如下圖。

AIO以及異步IO模型

最后就是JDK 1.7之后，又支持了?AIO?，也叫做NIO 2.0，他就支持?異步IO模型?了。

我們先說一下異步IO模型是什么意思。

簡單來說，就是你的Java程序可以基于AIO API發(fā)起一個請求，比如說接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，AIO API底層會基于異步IO模型來調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。

此時不需要去管這個IO是否成功了，AIO接口會直接返回，你的Java程序也會直接返回。

然后，你的Java程序就可以去干別的事兒了。大家聯(lián)想一下上面說的那個異步的例子，就可以理解這里為什么叫做異步了。

因?yàn)锽IO、NIO都是同步的，你發(fā)起IO請求，都必須同步等待IO操作完成。

但是這里你發(fā)起一個IO請求，直接AIO接口就返回了，你就可以干別的事兒了，純異步的方式。

不過你需要提供一個回調(diào)函數(shù)給AIO接口，一旦底層系統(tǒng)內(nèi)核完成了具體的IO請求，比如網(wǎng)絡(luò)讀寫之類的，就會回調(diào)你提供的回調(diào)函數(shù)。

比如說你要是通過網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，那么此時AIO接口就會把操作系統(tǒng)異步讀取到的數(shù)據(jù)交給你的回調(diào)函數(shù)。

整個過程如下圖：

End

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