Java NIO之理解I/O模型（一）

前言

自己以前在Java NIO這塊兒，一直都是比較薄弱的，以前還因為這點知識而錯失了一個機會。所以最近打算好好學習一下這部分內容，我想應該也會有朋友像我一樣，一直想鬧明白這塊兒內容。但是一直無從下手，每次被問到什么NIO，BIO，AIO就慌，下面我們先從一些基本概念來慢慢了解NIO這部分內容。

同步與異步

同步和異步是比較好理解的，網上也有好多解釋。下面我通過個人的理解來解釋這兩個概念可能會通俗一些，希望能更好理解。

同步就是多個任務或事件在執行時需要按順序逐個執行，如果排在順序前面的任務或事件在執行的時候，排在后面的任務或事件就需要等待前面的執行完后才可以執行，這些任務或事件是不能並行執行的。同步執行任務可以被設計為可靠的任務序列，前后兩個任務可以保持一致才算整個任務結束。

異步是多個任務或事件可以同時並行執行，前面的任務不會導致后面的任務的等待。因為是多個任務同時進行的，所以每個任務之間不產生相互的依賴，所以無法保證可靠性。

同步流程圖

異步流程圖

同步示例代碼

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();
}

按順序逐個執行的方法，test3會等待test1和test2都執行完后再執行。

異步示例代碼

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();
}

上面這段異步代碼可以看出，testA、testB、testC三個方法各自有自己的線程來執行任務，互相不依賴所以不會造成有任務等待的情況。典型的異步處理機制。

雖然上面的異步用了三個線程來實現了，但是並不代表多線程就是異步，這是兩個概念，多線程只是實現異步的一種方式。而異步是一種處理模式，除了多線程還可以有其他的方式來實現。

在生活中的例子我們在打電話的時候就相當於同步，只有對方接通了才算任務執行成功。而發短信則是異步，短信發送后並不依賴接收者是否接收成功。

阻塞與非阻塞

阻塞是指當有任務在執行時，會發出一個請求操作，如果該請求操作需要的條件不滿足的話，那么就會一直等待，直到條件滿足后，才繼續執行后面的其他工作。

非阻塞是指當有任務在執行時，會發出一個請求操作，如果該請求操作需要的條件不滿足的話，會立即返回一個標志信息告知條件不滿足，而不會一直在等待下去。

阻塞流程

 

非阻塞流程

 

有的人總是把同步、異步，與阻塞、非阻塞， 這兩組概念給理解混了，但是其實這是兩組完全不同的概念。

同步與異步這組概念的重點在於，前面的任務是否會導致整個流程的等待。

阻塞與非阻塞這組概念的重點在於，如果操作請求不滿足條件是否會返回一個標志信息告知不滿足條件。

其實理解阻塞與非阻塞可以從我們通常所接觸的線程阻塞來理解，當出現慢任務的時候，線程會發生阻塞，cpu會等待慢任務執行完成后再執行后續的任務。而非阻塞線程在執行這個慢任務的時候，會去做其他事情，當慢任務執行完成后，再去執行后面的任務。非阻塞雖然看似可以明顯提高效率，但是系統的線程切換也是會造成時間損耗，所以需要合理利用。

同步IO與異步IO

同步IO是指，當一個線程在執行IO操作時，該線程在IO操作完成前，是會被阻塞的。

異步IO是指，當一個線程在執行IO操作時，該線程並不會被阻塞。 

IO操作其實是有一個過程的，我們拿網絡IO為例，一個網絡IO主要會涉及到兩個對象，一個是調用這個IO的線程，另一個是系統內核。當一個read操作發生時，會經歷兩個階段。

1、等待數據准備就緒。

2、將數據從內核拷貝到調用這個IO的線程中。

IO模型的區別主要都在這兩個階段上面所以很重要，我們所說的同步與異步的區別，在於第二個階段中，將數據從內核拷貝到線程（或進程）中，如果被阻塞了就同步，沒有被阻塞就是異步。被阻塞了說明該階段的操作是依賴用戶線程的，而沒有被阻塞說明不依賴用戶線程，而依賴內核，所以異步是需要操作系統內核支持的。

阻塞IO與非阻塞IO

上面我們在介紹同步IO與非同步IO的時候說到，同步與不同步的區別在IO操作的第二個階段，這節我們說的阻塞IO與非阻塞IO則是發生在IO操作第一個階段的。

阻塞IO是指當一個線程發起IO操作請求時，系統內核會去查看要操作的數據是否就緒，當是阻塞IO時，發現要操作是數據沒有就緒，就會一直等待下去，直到數據准備就緒；當是非阻塞IO時如果數據沒有准備好，就會返回一個標識信息告訴調用線程，當前操作數據沒有准備就緒。當數據准備就緒后才會執行第一階段。

其實阻塞IO與非阻塞IO的關鍵區別在於，是等待執行，還是說立即返回一個通知標識。當數據沒有准備好時就等待執行，而當立即返回一個通知標識時，線程會根據標識知道現在數據是個什么情況，如果沒有准備好，那么線程會再次發起請求，知道數據准備好后立即執行。

兩種方式的組合

雖然異步和非阻塞能夠提升I/O的性能，但是也會帶來一些額外的性能成本，例如：會增加線程數量，從而增加CPU的消耗，同時也會導致程序設計復雜度的上升。如果設計的不合理反而會導致性能下降，在實際設計時要分解應用場景綜合評估。

下面這個表格就列出了同步異步與阻塞非阻塞組合起來的性能分析。

組合方式	性能分析
同步阻塞	最常用的一種用法，使用也是最簡單的，但是I/O性能一般很差，CPU大部分處於空閑狀態。
同步非阻塞	提升I/O性能的常用手段，就是將I/O的阻塞改為非阻塞方式，尤其在網絡I/O是長連接同時傳輸 數據也不很多的情況下，提升性能非常有效。 　　這種方式通常能提升I/O性能，但是會增加CPU消耗，要考慮增加的I/O性能能不能補償CPU的 消耗，也就是系統的瓶頸是在I/O上還是在CPU上。
異步阻塞	這種方式在分布式數據庫中經常用到，例如，在一個分布式數據庫中寫一條記錄，通常會有一份是 同步阻塞的記錄，還有2~3份記錄會寫到其他機器上，這些備份記錄通常都采用異步阻塞的方式寫I/O。 　　異步阻塞對網絡I/O能夠提升效率，尤其像上面這種同時寫多份相同數據的情況。
異步非阻塞	這種組合方式用起來比較復雜，只有在一些非常復雜的分布式情況下用，集群之間的消息同步機制 一般用這種I/O組合方式。 　　它適合同時要傳多份相同的數據到集群中不同的機器，同時數據的傳輸量雖然不大卻非常頻繁的情況。 這種網絡I/O用此方式性能達到最高。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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