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IO的基本常識(shí)

1.同步

用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否完成

2.異步

用戶觸發(fā)IO操作以后,可以干別的事，IO操作完成以后再通知當(dāng)前線程繼續(xù)處理

3.阻塞

當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用 read() 或 write()時(shí)，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取或?qū)懭耄摼€程在此期間不能執(zhí)行其他任務(wù)

4.非阻塞

當(dāng)線程從某通道進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，若沒有數(shù)據(jù)可用時(shí)，該線程可以進(jìn)行其他任務(wù)。線程通常將非阻塞 IO 的空閑時(shí)間用于在其他通道上執(zhí)行 IO 操作，所以單獨(dú)的線程可以管理多個(gè)輸入和輸出通道。

IO事件驅(qū)動(dòng)模式

在IO讀寫時(shí)，把 IO請(qǐng)求 與 讀寫操作 分離調(diào)配進(jìn)行，需要用到事件分離器。根據(jù)處理機(jī)制的不同，事件分離器又分為：同步的Reactor和異步的Proactor。

Reactor模型：

- 應(yīng)用程序在事件分離器注冊(cè) 讀就緒事件 和 讀就緒事件處理器 - 事件分離器等待讀就緒事件發(fā)生 - 讀就緒事件發(fā)生，激活事件分離器，分離器調(diào)用 讀就緒事件處理器（即：可以進(jìn)行讀操作了，開始讀） - 讀事件處理器開始進(jìn)行讀操作，把讀到的數(shù)據(jù)提供給程序使用

Proactor模型：

- 應(yīng)用程序在事件分離器注冊(cè) 讀完成事件 和 讀完成事件處理器，并向操作系統(tǒng)發(fā)出異步讀請(qǐng)求 - 事件分離器等待操作系統(tǒng)完成讀取 - 在分離器等待過程中，操作系統(tǒng)利用并行的內(nèi)核線程執(zhí)行實(shí)際的讀操作，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入用戶自定義緩沖區(qū)，最后通知事件分離器讀操作完成 - 事件分離器監(jiān)聽到 讀完成事件 后，激活 讀完成事件的處理器 - 讀完成事件處理器 處理用戶自定義緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)給應(yīng)用程序使用

同步和異步的區(qū)別就在于 讀 操作由誰完成：同步的Reactor是指程序發(fā)出讀請(qǐng)求后，由分離器監(jiān)聽到可以進(jìn)行讀操作時(shí)通知事件處理器進(jìn)行讀操作，異步的Proactor是指程序發(fā)出讀請(qǐng)求后，操作系統(tǒng)立刻異步地進(jìn)行讀操作了，讀完之后在通知分離器，分離器激活處理器直接取用已讀到的數(shù)據(jù)。

同步阻塞IO（BIO）

我們熟知的Socket就是BIO，每一個(gè)socket套接字需要使用一個(gè)線程來處理。建立連接、進(jìn)行讀寫操作的時(shí)候都可能阻塞。在服務(wù)器端如果要支持并發(fā)的連接時(shí)，需要更多的線程。連接不做任何事情的時(shí)候會(huì)造成不必要的線程開銷，可通過線程池來改善。

同步非阻塞IO（NIO）

New IO是對(duì)BIO的改進(jìn)，基于Reactor模型。我們知道，一個(gè)socket連接只有在特定時(shí)間才會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸IO操作，大部分時(shí)間這個(gè)“數(shù)據(jù)通道”是空閑的，但還是占用著線程。NIO作出的改進(jìn)就是“多個(gè)連接一個(gè)線程”，在連接到服務(wù)端的眾多socket中，只有需要進(jìn)行IO操作的才能獲取服務(wù)端的處理線程進(jìn)行IO。這樣就不會(huì)因?yàn)榫€程不夠用而限制了socket的接入。客戶端的socket連接到服務(wù)端時(shí)，就會(huì)在事件分離器注冊(cè)一個(gè) IO請(qǐng)求事件 和 IO 事件處理器。在該連接發(fā)生IO請(qǐng)求時(shí)，IO事件處理器就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)線程來處理這個(gè)IO請(qǐng)求，不斷嘗試獲取系統(tǒng)的IO的使用權(quán)限，則通知這個(gè)socket進(jìn)行IO數(shù)據(jù)傳輸。

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩沖區(qū)), Selector。傳統(tǒng)IO基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作，而NIO基于Channel和Buffer(緩沖區(qū))進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。Selector(選擇區(qū))用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個(gè)線程可以監(jiān)聽多個(gè)數(shù)據(jù)通道。

NIO基于Channel和Buffer(緩沖區(qū))進(jìn)行操作

Selector(選擇區(qū))用于監(jiān)聽多個(gè)通道的事件

異步阻塞IO（AIO）

NIO是同步的IO，是因?yàn)槌绦蛐枰狪O操作時(shí)，必須獲得了IO權(quán)限后親自進(jìn)行IO操作才能進(jìn)行下一步操作。AIO是對(duì)NIO的改進(jìn)（所以AIO又叫NIO.2），它是基于Proactor模型的。每個(gè)socket連接在事件分離器注冊(cè) IO完成事件 和 IO完成事件處理器。程序需要進(jìn)行IO時(shí)，向分離器發(fā)出IO請(qǐng)求并把所用的Buffer區(qū)域告知分離器，分離器通知操作系統(tǒng)進(jìn)行IO操作，操作系統(tǒng)自己不斷嘗試獲取IO權(quán)限并進(jìn)行IO操作（數(shù)據(jù)保存在Buffer區(qū)），操作完成后通知分離器；分離器檢測(cè)到 IO完成事件，則激活 IO完成事件處理器，處理器會(huì)通知程序說“IO已完成”，程序知道后就直接從Buffer區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。

AIO是發(fā)出IO請(qǐng)求后，由操作系統(tǒng)自己去獲取IO權(quán)限并進(jìn)行IO操作；NIO則是發(fā)出IO請(qǐng)求后，由線程不斷嘗試獲取IO權(quán)限，獲取到后通知應(yīng)用程序自己進(jìn)行IO操作。

總結(jié)

BIO，NIO，AIO可以簡(jiǎn)述如下：

BIO是同步并阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)連接一個(gè)線程，即客戶端有連接請(qǐng)求時(shí)服務(wù)器端就需要啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理，如果這個(gè)連接不做任何事情會(huì)造成不必要的線程開銷，當(dāng)然可以通過線程池機(jī)制改善。

NIO是同步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程，即客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求都會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請(qǐng)求時(shí)才啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理。

AIO是異步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)有效請(qǐng)求一個(gè)線程，客戶端的I/O請(qǐng)求都是由OS先完成了再通知服務(wù)器應(yīng)用去啟動(dòng)線程進(jìn)行處理。

BIO、NIO、AIO適用場(chǎng)景分析：

BIO方式適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，這種方式對(duì)服務(wù)器資源要求比較高

NIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短的架構(gòu)，可充分利用服務(wù)器資源

AIO方式使用于連接數(shù)目多且連接比較長(zhǎng)的架構(gòu)，充分調(diào)用OS參與并發(fā)操作