Java I/O模型

本文转发自技术世界，原文链接　http://www.jasongj.com/java/nio_reactor/

同步 vs. 异步

同步I/O　

每个请求必须逐个地被处理，一个请求的处理会导致整个流程的暂时等待，

这些事件无法并发地执行。用户线程发起I/O请求后需要等待或者轮询内核I/O操作完成后才能继续执行。

同步意味着一个任务的某个处理过程会对多个线程在用串行化处理

异步I/O　

多个请求可以并发地执行，一个请求或者任务的执行不会导致整个流程的暂时等待。

用户线程发起I/O请求后仍然继续执行，当内核I/O操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

异步则意味着某个处理过程可以允许多个线程同时处理。

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阻塞 vs. 非阻塞

阻塞　

某个请求发出后，由于该请求操作需要的条件不满足，请求操作一直阻塞，不会返回，直到条件满足。

非阻塞　

请求发出后，若该请求需要的条件不满足，则立即返回一个标志信息告知条件不满足，而不会一直等待。

一般需要通过循环判断请求条件是否满足来获取请求结果。

需要注意的是，阻塞并不等价于同步，而非阻塞并非等价于异步。

事实上这两组概念描述的是I/O模型中的两个不同维度。

同步和异步着重点在于多个任务执行过程中，后发起的任务是否必须等先发起的任务完成之后再进行。

而不管先发起的任务请求是阻塞等待完成，还是立即返回通过循环等待请求成功。

而阻塞和非阻塞重点在于请求的方法是否立即返回（或者说是否在条件不满足时被阻塞）。

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Java中四种I/O模型

Java最早提供的blocking I/O即是阻塞I/O，

如上文所述，阻塞I/O下请求无法立即完成，则保持阻塞。

阻塞I/O分为如下两个阶段：
阶段1：等待数据就绪。网络 I/O 的情况就是等待远端数据陆续抵达；磁盘I/O的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中。
阶段2：数据拷贝。出于系统安全，用户态的程序没有权限直接读取内核态内存，因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中。

而NIO即是非阻塞I/O，

非阻塞I/O请求包含如下三个阶段

1）socket设置为 NONBLOCK（非阻塞）就是告诉内核，

　　当所请求的I/O操作无法完成时，不要将线程睡眠，而是返回一个错误码(EWOULDBLOCK) ，这样请求就不会阻塞。
2）I/O操作函数将不断的测试数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续测试，直到数据准备好为止。

　　整个I/O 请求的过程中，虽然用户线程每次发起I/O请求后可以立即返回，但是为了等到数据，仍需要不断地轮询、重复请求，消耗了大量的 CPU 的资源。
3）数据准备好了，从内核拷贝到用户空间。

一般很少直接使用这种模型，而是在其他I/O模型中使用非阻塞I/O 这一特性。这种方式对单个I/O 请求意义不大，但给I/O多路复用提供了条件。

同时通过NIO实现的Reactor模式即是 I/O复用模型的实现，

I/O多路复用（异步阻塞 I/O）
I/O多路复用会用到select或者poll函数，这两个函数也会使线程阻塞，

但是和阻塞I/O所不同的是，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。

而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O操作函数。

从流程上来看，使用select函数进行I/O请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视Channel，以及调用select函数的额外操作，增加了额外工作。

但是，使用 select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个Channel的I/O请求。

用户可以注册多个Channel，然后不断地调用select读取被激活的Channel，即可达到在同一个线程内同时处理多个I/O请求的目的。

而在同步阻塞模型中，必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

调用select/poll该方法由一个用户态线程负责轮询多个Channel，直到某个阶段1的数据就绪，再通知实际的用户线程执行阶段2的拷贝。 

通过一个专职的用户态线程执行非阻塞I/O轮询，模拟实现了阶段一的异步化。

通过AIO实现的Proactor模式即是异步I/O模型的实现。

调用AIO_read 函数，告诉内核描述字，缓冲区指针，缓冲区大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。

当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。所以异步I/O模式下，阶段1和阶段2全部由内核完成，完成不需要用户线程的参与。