Java NIO之理解I/O模型

前言

自己以前在Java NIO这块儿，一直都是比较薄弱的，以前还因为这点知识而错失了一个机会。所以最近打算好好学习一下这部分内容，我想应该也会有朋友像我一样，一直想闹明白这块儿内容。但是一直无从下手，每次被问到什么NIO，BIO，AIO就慌，下面我们先从一些基本概念来慢慢了解NIO这部分内容。

同步与异步

同步和异步是比较好理解的，网上也有好多解释。下面我通过个人的理解来解释这两个概念可能会通俗一些，希望能更好理解。

同步就是多个任务或事件在执行时需要按顺序逐个执行，如果排在顺序前面的任务或事件在执行的时候，排在后面的任务或事件就需要等待前面的执行完后才可以执行，这些任务或事件是不能并行执行的。同步执行任务可以被设计为可靠的任务序列，前后两个任务可以保持一致才算整个任务结束。

异步是多个任务或事件可以同时并行执行，前面的任务不会导致后面的任务的等待。因为是多个任务同时进行的，所以每个任务之间不产生相互的依赖，所以无法保证可靠性。

同步流程图

异步流程图

同步示例代码

public static void test1(){

    System.out.println(">>>>>>>>>test1<<<<<<<<<<");

}

public static void test2(){

    System.out.println(">>>>>>>>>test2<<<<<<<<<<");

}

public static void test3(){

    System.out.println(">>>>>>>>>test3<<<<<<<<<<");

}

public static void main(String[] args) {

        test1();

        test2();

        test3();

}

按顺序逐个执行的方法，test3会等待test1和test2都执行完后再执行。

异步示例代码

public static void testA(){

        new Thread(){

            @Override

            public void run() {

                System.out.println(">>>>>>>>>testA<<<<<<<<<<");

            }

        }.start();

}

public static void testB(){

        new Thread(){

            @Override

            public void run() {

                System.out.println(">>>>>>>>>testB<<<<<<<<<<");

            }

        }.start();

}

public static void testC(){

        new Thread(){

            @Override

            public void run() {

                System.out.println(">>>>>>>>>testC<<<<<<<<<<");

            }

        }.start();

}

public static void main(String[] args) {

        testA();

        testB();

        testC();

}

上面这段异步代码可以看出，testA、testB、testC三个方法各自有自己的线程来执行任务，互相不依赖所以不会造成有任务等待的情况。典型的异步处理机制。

虽然上面的异步用了三个线程来实现了，但是并不代表多线程就是异步，这是两个概念，多线程只是实现异步的一种方式。而异步是一种处理模式，除了多线程还可以有其他的方式来实现。

在生活中的例子我们在打电话的时候就相当于同步，只有对方接通了才算任务执行成功。而发短信则是异步，短信发送后并不依赖接收者是否接收成功。

阻塞与非阻塞

阻塞是指当有任务在执行时，会发出一个请求操作，如果该请求操作需要的条件不满足的话，那么就会一直等待，直到条件满足后，才继续执行后面的其他工作。

非阻塞是指当有任务在执行时，会发出一个请求操作，如果该请求操作需要的条件不满足的话，会立即返回一个标志信息告知条件不满足，而不会一直在等待下去。

阻塞流程

非阻塞流程

有的人总是把同步、异步，与阻塞、非阻塞，这两组概念给理解混了，但是其实这是两组完全不同的概念。

同步与异步这组概念的重点在于，前面的任务是否会导致整个流程的等待。

阻塞与非阻塞这组概念的重点在于，如果操作请求不满足条件是否会返回一个标志信息告知不满足条件。

其实理解阻塞与非阻塞可以从我们通常所接触的线程阻塞来理解，当出现慢任务的时候，线程会发生阻塞，cpu会等待慢任务执行完成后再执行后续的任务。而非阻塞线程在执行这个慢任务的时候，会去做其他事情，当慢任务执行完成后，再去执行后面的任务。非阻塞虽然看似可以明显提高效率，但是系统的线程切换也是会造成时间损耗，所以需要合理利用。

同步IO与异步IO

同步IO是指，当一个线程在执行IO操作时，该线程在IO操作完成前，是会被阻塞的。

异步IO是指，当一个线程在执行IO操作时，该线程并不会被阻塞。

IO操作其实是有一个过程的，我们拿网络IO为例，一个网络IO主要会涉及到两个对象，一个是调用这个IO的线程，另一个是系统内核。当一个read操作发生时，会经历两个阶段。

1、等待数据准备就绪。

2、将数据从内核拷贝到调用这个IO的线程中。

IO模型的区别主要都在这两个阶段上面所以很重要，我们所说的同步与异步的区别，在于第二个阶段中，将数据从内核拷贝到线程（或进程）中，如果被阻塞了就同步，没有被阻塞就是异步。被阻塞了说明该阶段的操作是依赖用户线程的，而没有被阻塞说明不依赖用户线程，而依赖内核，所以异步是需要操作系统内核支持的。

阻塞IO与非阻塞IO

上面我们在介绍同步IO与非同步IO的时候说到，同步与不同步的区别在IO操作的第二个阶段，这节我们说的阻塞IO与非阻塞IO则是发生在IO操作第一个阶段的。

阻塞IO是指当一个线程发起IO操作请求时，系统内核会去查看要操作的数据是否就绪，当是阻塞IO时，发现要操作是数据没有就绪，就会一直等待下去，直到数据准备就绪；当是非阻塞IO时如果数据没有准备好，就会返回一个标识信息告诉调用线程，当前操作数据没有准备就绪。当数据准备就绪后才会执行第一阶段。

其实阻塞IO与非阻塞IO的关键区别在于，是等待执行，还是说立即返回一个通知标识。当数据没有准备好时就等待执行，而当立即返回一个通知标识时，线程会根据标识知道现在数据是个什么情况，如果没有准备好，那么线程会再次发起请求，知道数据准备好后立即执行。

两种方式的组合

虽然异步和非阻塞能够提升I/O的性能，但是也会带来一些额外的性能成本，例如：会增加线程数量，从而增加CPU的消耗，同时也会导致程序设计复杂度的上升。如果设计的不合理反而会导致性能下降，在实际设计时要分解应用场景综合评估。

下面这个表格就列出了同步异步与阻塞非阻塞组合起来的性能分析。

组合方式	性能分析
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大部分处于空闲状态。
同步非阻塞	提升I/O性能的常用手段，就是将I/O的阻塞改为非阻塞方式，尤其在网络I/O是长连接同时传输数据也不很多的情况下，提升性能非常有效。　　这种方式通常能提升I/O性能，但是会增加CPU消耗，要考虑增加的I/O性能能不能补偿CPU的消耗，也就是系统的瓶颈是在I/O上还是在CPU上。
异步阻塞	这种方式在分布式数据库中经常用到，例如，在一个分布式数据库中写一条记录，通常会有一份是同步阻塞的记录，还有2~3份记录会写到其他机器上，这些备份记录通常都采用异步阻塞的方式写I/O。　　异步阻塞对网络I/O能够提升效率，尤其像上面这种同时写多份相同数据的情况。
异步非阻塞	这种组合方式用起来比较复杂，只有在一些非常复杂的分布式情况下用，集群之间的消息同步机制一般用这种I/O组合方式。　　它适合同时要传多份相同的数据到集群中不同的机器，同时数据的传输量虽然不大却非常频繁的情况。这种网络I/O用此方式性能达到最高。

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