JAVA網路IO(BIO、NIO、AIO)
阿新 • • 發佈：2019-01-01
例子一：
“阻塞”與"非阻塞"和"同步"與“非同步"不能簡單的從字面理解，提供一個從分散式系統角度的回答。1.同步與非同步
同步和非同步關注的是訊息通訊機制 (synchronous communication/ asynchronous communication)
所謂同步，就是在發出一個*呼叫*時，在沒有得到結果之前，該*呼叫*就不返回。但是一旦呼叫返回，就得到返回值了。
換句話說，就是由*呼叫者*主動等待這個*呼叫*的結果。
而非同步則是相反，*呼叫*在發出之後，這個呼叫就直接返回了，所以沒有返回結果。換句話說，當一個非同步過程呼叫發出後，呼叫者不會立刻得到結果。而是在*呼叫*發出後，*被呼叫者*通過狀態、通知來通知呼叫者，或通過回撥函式處理這個呼叫。典型的非同步程式設計模型比如Node.js。
舉個通俗的例子：
你打電話問書店老闆有沒有《分散式系統》這本書，如果是同步通訊機制，書店老闆會說，你稍等，”我查一下"，然後開始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告訴你結果（返回結果）。
而非同步通訊機制，書店老闆直接告訴你我查一下啊，查好了打電話給你，然後直接掛電話了（不返回結果）。然後查好了，他會主動打電話給你。在這裡老闆通過“回電”這種方式來回調。
2. 阻塞與非阻塞
阻塞和非阻塞關注的是程式在等待呼叫結果（訊息，返回值）時的狀態.
阻塞呼叫是指呼叫結果返回之前，當前執行緒會被掛起。呼叫執行緒只有在得到結果之後才會返回。
非阻塞呼叫指在不能立刻得到結果之前，該呼叫不會阻塞當前執行緒。
還是上面的例子，
你打電話問書店老闆有沒有《分散式系統》這本書，你如果是阻塞式呼叫，你會一直把自己“掛起”，直到得到這本書有沒有的結果，如果是非阻塞式呼叫，你不管老闆有沒有告訴你，你自己先一邊去玩了， 當然你也要偶爾過幾分鐘check一下老闆有沒有返回結果。
在這裡阻塞與非阻塞與是否同步非同步無關。跟老闆通過什麼方式回答你結果也無關。
例子二：
老張愛喝茶，廢話不說，煮開水。出場人物：老張，水壺兩把（普通水壺，簡稱水壺；會響的水壺，簡稱響水壺）。
1 老張把水壺放到火上，立等水開。（同步阻塞）
老張覺得自己有點傻
2 老張把水壺放到火上，去客廳看電視，時不時去廚房看看水開沒有。（同步非阻塞）
老張還是覺得自己有點傻，於是變高端了，買了把會響笛的那種水壺。水開之後，能大聲發出嘀~~~~的噪音。
3 老張把響水壺放到火上，立等水開。（非同步阻塞）
老張覺得這樣傻等響水壺意義不大
4 老張把響水壺放到火上，去客廳看電視，水壺響之前不再去看它了，響了再去拿壺。（非同步非阻塞）
老張覺得自己聰明瞭。
所謂同步非同步，只是對於水壺而言。
雖然都能幹活，但響水壺可以在自己完工之後，提示老張水開了。這是普通水壺所不能及的。
同步只能讓呼叫者去輪詢自己（情況2中），造成老張效率的低下。
所謂阻塞非阻塞，僅僅對於老張而言。
立等的老張，阻塞；看電視的老張，非阻塞。
情況1和情況3中老張就是阻塞的，媳婦喊他都不知道。雖然3中響水壺是非同步的，可對於立等的老張沒有太大的意義。所以一般非同步是配合非阻塞使用的，這樣才能發揮非同步的效用。 下面來看看JAVA中的IO型別： 同步阻塞IO（JAVA BIO Blocking-io）：
同步並阻塞，伺服器實現模式為一個連線一個執行緒，即客戶端有連線請求時伺服器端就需要啟動一個執行緒進行處理，如果這個連線不做任何事情會造成不必要的執行緒開銷，當然可以通過執行緒池機制改善。
同步非阻塞IO(Java NIO No-Blocking-io) ： 同步非阻塞，伺服器實現模式為一個請求一個執行緒，即客戶端傳送的連線請求都會註冊到多路複用器上，多路複用器輪詢到連線有I/O請求時才啟動一個執行緒進行處理。使用者程序也需要時不時的詢問IO操作是否就緒，這就要求使用者程序不停的去詢問。
非同步阻塞IO（Java NIO Asynchronous I/O）：
此種方式下是指應用發起一個IO操作以後，不等待核心IO操作的完成，等核心完成IO操作以後會通知應用程式，這其實就是同步和非同步最關鍵的區別，同步必須等待或者主動的去詢問IO是否完成，那麼為什麼說是阻塞的呢？因為此時是通過select系統呼叫來完成的，而select函式本身的實現方式是阻塞的，而採用select函式有個好處就是它可以同時監聽多個檔案控制代碼（如果從UNP的角度看，select屬於同步操作。因為select之後，程序還需要讀寫資料），從而提高系統的併發性！
（Java AIO(NIO.2)）非同步非阻塞IO:
在此種模式下，使用者程序只需要發起一個IO操作然後立即返回，等IO操作真正的完成以後，應用程式會得到IO操作完成的通知，此時使用者程序只需要對資料進行處理就好了，不需要進行實際的IO讀寫操作，因為真正的IO讀取或者寫入操作已經由核心完成了。
BIO、NIO、AIO適用場景分析:
BIO方式適用於連線數目比較小且固定的架構，這種方式對伺服器資源要求比較高，併發侷限於應用中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程式直觀簡單易理解。
NIO方式適用於連線數目多且連線比較短（輕操作）的架構，比如聊天伺服器，併發侷限於應用中，程式設計比較複雜，JDK1.4開始支援。
AIO方式使用於連線數目多且連線比較長（重操作）的架構，比如相簿伺服器，充分呼叫OS參與併發操作，程式設計比較複雜，JDK7開始支援。 搞清楚了以上概念以後，我們再回過頭來看看，Reactor模式和Proactor模式。 （其實阻塞與非阻塞都可以理解為同步範疇下才有的概念，對於非同步，就不會再去分阻塞非阻塞。對於使用者程序，接到非同步通知後，就直接操作程序使用者態空間裡的資料好了。）
首先來看看Reactor模式，Reactor模式應用於同步I/O的場景。我們分別以讀操作和寫操作為例來看看Reactor中的具體步驟：
讀取操作：
1. 應用程式註冊讀就緒事件和相關聯的事件處理器
2. 事件分離器等待事件的發生
3. 當發生讀就緒事件的時候，事件分離器呼叫第一步註冊的事件處理器
4. 事件處理器首先執行實際的讀取操作，然後根據讀取到的內容進行進一步的處理
寫入操作類似於讀取操作，只不過第一步註冊的是寫就緒事件。
下面我們來看看Proactor模式中讀取操作和寫入操作的過程：
讀取操作：
1. 應用程式初始化一個非同步讀取操作，然後註冊相應的事件處理器，此時事件處理器不關注讀取就緒事件，而是關注讀取完成事件，這是區別於Reactor的關鍵。
2. 事件分離器等待讀取操作完成事件
3. 在事件分離器等待讀取操作完成的時候，作業系統呼叫核心執行緒完成讀取操作（非同步IO都是作業系統負責將資料讀寫到應用傳遞進來的緩衝區供應用程式操作，作業系統扮演了重要角色），並將讀取的內容放入使用者傳遞過來的快取區中。這也是區別於Reactor的一點，Proactor中，應用程式需要傳遞快取區。
4. 事件分離器捕獲到讀取完成事件後，啟用應用程式註冊的事件處理器，事件處理器直接從快取區讀取資料，而不需要進行實際的讀取操作。
Proactor中寫入操作和讀取操作，只不過感興趣的事件是寫入完成事件。
從上面可以看出，Reactor和Proactor模式的主要區別就是真正的讀取和寫入操作是有誰來完成的，Reactor中需要應用程式自己讀取或者寫入資料，而Proactor模式中，應用程式不需要進行實際的讀寫過程，它只需要從快取區讀取或者寫入即可，作業系統會讀取快取區或者寫入快取區到真正的IO裝置.
綜上所述，同步和非同步是相對於應用和核心的互動方式而言的，同步需要主動去詢問，而非同步的時候核心在IO事件發生的時候通知應用程式，而阻塞和非阻塞僅僅是系統在呼叫系統呼叫的時候函式的實現方式而已。
“一個IO操作其實分成了兩個步驟：發起IO請求和實際的IO操作。
同步IO和非同步IO的區別就在於第二個步驟是否阻塞，如果實際的IO讀寫阻塞請求程序，那麼就是同步IO。
阻塞IO和非阻塞IO的區別在於第一步，發起IO請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那麼就是傳統的阻塞IO，如果不阻塞，那麼就是非阻塞IO。
所以,IO操作可以分為3類：同步阻塞（即早期的IO操作）、同步非阻塞（NIO）、非同步（AIO）。
同步阻塞：
在此種方式下，使用者程序在發起一個IO操作以後，必須等待IO操作的完成，只有當真正完成了IO操作以後，使用者程序才能執行。JAVA傳統的IO模型屬於此種方式。
同步非阻塞：
在此種方式下，使用者程序發起一個IO操作以後邊可返回做其它事情，但是使用者程序需要時不時的詢問IO操作是否就緒，這就要求使用者程序不停的去詢問，從而引入不必要的CPU資源浪費。其中目前JAVA的NIO就屬於同步非阻塞IO。
非同步：
此種方式下是指應用發起一個IO操作以後，不等待核心IO操作的完成，等核心完成IO操作以後會通知應用程式。”