同步、異步、阻塞、非阻塞都是和I/O（輸入輸出）有關(guān)的概念，最簡單的文件讀取就是I/O操作。而在文件讀取這件事兒上，可以有多種方式。

本篇會(huì)先介紹一下I/O的基本概念，通過一個(gè)生活例子來分別解釋下這幾種I/O模型，以及Java支持的I/O模型。

基本概念

在解釋I/O模型之前，我先說明一下幾個(gè)操作系統(tǒng)的概念

文件描述符fd

文件描述符（file descriptor）是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)術(shù)語，是一個(gè)用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一個(gè)非負(fù)整數(shù)。實(shí)際上，它是一個(gè)索引值，指向內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程所維護(hù)的該進(jìn)程打開文件的記錄表。 當(dāng)程序打開一個(gè)現(xiàn)有文件或者創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，內(nèi)核向進(jìn)程返回一個(gè)文件描述符。 在程序設(shè)計(jì)中，一些涉及底層的程序編寫往往會(huì)圍繞著文件描述符展開。文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux這樣的操作系統(tǒng)。

緩存I/O

緩存I/O又被稱作標(biāo)準(zhǔn)I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認(rèn)I/O操作都是緩存I/O。在Linux的緩存I/O機(jī)制中， 操作系統(tǒng)會(huì)將I/O的數(shù)據(jù)緩存在文件系統(tǒng)的頁緩存中，也就是說，數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中， 然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。

緩存I/O的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)在傳輸過程中需要在應(yīng)用程序地址空間和內(nèi)核進(jìn)行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些數(shù)據(jù)拷貝操作所帶來的CPU以及內(nèi)存開銷是非常大的。

下面我以一個(gè)生活中燒開水的例子來形象解釋一下同步、異步、阻塞、非阻塞概念。

同步和異步

說到燒水，我們都是通過熱水壺來燒水的。在很久之前，科技還沒有這么發(fā)達(dá)的時(shí)候，如果我們要燒水， 需要把水壺放到火爐上，我們通過觀察水壺內(nèi)的水的沸騰程度來判斷水有沒有燒開。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在市面上的水壺都有了提醒功能，當(dāng)我們把水壺插電之后，水壺水燒開之后會(huì)通過聲音提醒我們水開了。

對于燒水這件事兒來說，傳統(tǒng)水壺的燒水就是同步的，高科技水壺的燒水就是異步的。

同步請求

A調(diào)用B，B的處理是同步的，在處理完之前他不會(huì)通知A，只有處理完之后才會(huì)明確的通知A。

異步請求

A調(diào)用B，B的處理是異步的，B在接到請求后先告訴A我已經(jīng)接到請求了，然后異步去處理，處理完之后通過回調(diào)等方式再通知A。

所以說，同步和異步最大的區(qū)別就是被調(diào)用方的執(zhí)行方式和返回時(shí)機(jī)。 同步指的是被調(diào)用方做完事情之后再返回，異步指的是被調(diào)用方先返回，然后再做事情，做完之后再想辦法通知調(diào)用方。

阻塞和非阻塞

還是那個(gè)燒水的例子，當(dāng)你把水放到水壺里面，按下開關(guān)后，你可以坐在水壺前面，別的事情什么都不做， 一直等著水燒好。你還可以先去客廳看電視，等著水開就好了。

對于你來說，坐在水壺前面等就是阻塞的，去客廳看電視等著水開就是非阻塞的。

阻塞請求

A調(diào)用B，A一直等著B的返回，別的事情什么也不干。

非阻塞請求

A調(diào)用B，A不用一直等著B的返回，先去忙別的事情了。

所以說，阻塞和非阻塞最大的區(qū)別就是在被調(diào)用方返回結(jié)果之前的這段時(shí)間內(nèi)，調(diào)用方是否一直等待。 阻塞指的是調(diào)用方一直等待別的事情什么都不做。非阻塞指的是調(diào)用方先去忙別的事情。

阻塞、非阻塞和同步、異步的區(qū)別

首先，前面已經(jīng)提到過，阻塞、非阻塞和同步、異步其實(shí)針對的對象是不一樣的。

給我大聲念三遍下面的句子

阻塞、非阻塞說的是調(diào)用者。同步、異步說的是被調(diào)用者。

阻塞、非阻塞說的是調(diào)用者。同步、異步說的是被調(diào)用者。

阻塞、非阻塞說的是調(diào)用者。同步、異步說的是被調(diào)用者。

有人認(rèn)為阻塞和同步是一回事兒，非阻塞和異步是一回事。但是這是不對的。

同步包含阻塞和非阻塞

我們是用傳統(tǒng)的水壺?zé)Ｔ谒疅_之前我們一直做在水壺前面，等著水開。這就是阻塞的。

我們是用傳統(tǒng)的水壺?zé)Ｔ谒疅_之前我們先去客廳看電視了，但是水壺不會(huì)主動(dòng)通知我們， 需要我們時(shí)不時(shí)的去廚房看一下水有沒有燒開，這就是非阻塞的。

異步包含阻塞和非阻塞

我們是用帶有提醒功能的水壺?zé)Ｔ谒疅l(fā)出提醒之前我們一直做在水壺前面，等著水開。這就是阻塞的。

我們是用帶有提醒功能的水壺?zé)Ｔ谒疅l(fā)出提醒之前我們先去客廳看電視了，等水壺發(fā)出聲音提醒我們。這就是非阻塞的。

Unix中的五種I/O模型

對于一次I/O訪問（以read舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)中，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。 所以說，當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：

第一階段：等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)。

第二階段：將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

?

對于socket流而言

第一階段：通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)，也就是被復(fù)制到內(nèi)核的某個(gè)緩沖區(qū)。

第二階段：把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用進(jìn)程緩沖區(qū)。

?

Unix下五種I/O模型：

同步阻塞I/O

同步非阻塞I/O

I/O多路復(fù)用（select和poll）

信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O（SIGIO）

異步非阻塞 IO

同步阻塞I/O

阻塞I/O下請求無法立即完成則保持阻塞，阻塞I/O分為如下兩個(gè)階段。

階段1：等待數(shù)據(jù)就緒。網(wǎng)絡(luò)I/O的情況就是等待遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)陸續(xù)抵達(dá)，也就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被復(fù)制到內(nèi)核緩存區(qū)中，磁盤I/O的情況就是等待磁盤數(shù)據(jù)從磁盤上讀取到內(nèi)核態(tài)內(nèi)存中。

階段2：數(shù)據(jù)拷貝。出于系統(tǒng)安全，用戶態(tài)的程序沒有權(quán)限直接讀取內(nèi)核態(tài)內(nèi)存，因此內(nèi)核負(fù)責(zé)把內(nèi)核態(tài)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)拷貝一份到用戶態(tài)內(nèi)存中。

這兩個(gè)階段必須都完成后才能繼續(xù)下一步操作

所以，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了。

同步非阻塞I/O

就是階段1的時(shí)候用戶進(jìn)程可選擇做其他事情，通過輪詢的方式看看內(nèi)核緩沖區(qū)是否就緒。如果數(shù)據(jù)就緒，再去執(zhí)行階段2。

也就是說非阻塞的recvform系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用之后，進(jìn)程并沒有被阻塞，內(nèi)核馬上返回給進(jìn)程，如果數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好， 此時(shí)會(huì)返回一個(gè)error。進(jìn)程在返回之后，可以干點(diǎn)別的事情，然后再發(fā)起recvform系統(tǒng)調(diào)用。

重復(fù)上面的過程， 循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行recvform系統(tǒng)調(diào)用。這個(gè)過程通常被稱之為輪詢。輪詢檢查內(nèi)核數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好， 再拷貝數(shù)據(jù)到進(jìn)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。需要注意，第2階段的拷貝數(shù)據(jù)整個(gè)過程，進(jìn)程仍然是屬于阻塞的狀態(tài)。

在linux下，可以通過設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)，流程如圖所示：

所以，nonblocking IO的特點(diǎn)是用戶進(jìn)程需要不斷的主動(dòng)詢問kernel數(shù)據(jù)好了沒有。

I/O多路復(fù)用

我這里只想重點(diǎn)解釋一下I/O多路復(fù)用這種模型，因?yàn)楝F(xiàn)在用的最多。很多地方也稱為事件驅(qū)動(dòng)IO模型，只是叫法不同，意思都一個(gè)樣。

IO多路復(fù)用是指內(nèi)核一旦發(fā)現(xiàn)進(jìn)程指定的一個(gè)或者多個(gè)IO條件準(zhǔn)備讀取，它就通知該進(jìn)程。

目前支持I/O多路復(fù)用的系統(tǒng)調(diào)用有 select、pselect、poll、epoll，I/O多路復(fù)用就是通過一種機(jī)制，一個(gè)進(jìn)程可以監(jiān)視多個(gè)描述符， 一旦某個(gè)文件描述符fd就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。?

但select、pselect、poll、epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，也就是說這個(gè)讀寫過程是阻塞的， 而異步I/O則無需自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，異步I/O的實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

相比較于同步非阻塞I/O，它的改進(jìn)的地方在于，原來需要用戶進(jìn)程去輪詢的這事兒交給了內(nèi)核線程幫你完成， 而且這個(gè)內(nèi)核線程可以等待多個(gè)socket，能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多個(gè)IO端口進(jìn)行監(jiān)聽。

多路復(fù)用的特點(diǎn)是通過一種機(jī)制一個(gè)進(jìn)程能同時(shí)等待IO文件描述符，內(nèi)核監(jiān)視這些文件描述符（套接字描述符）， 其中的任意一個(gè)進(jìn)入讀就緒狀態(tài)，select， poll，epoll函數(shù)就可以返回。對于監(jiān)視的方式， 又可以分為 select， poll， epoll三種方式。

所以，如果處理的連接數(shù)不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用多線程 + 阻塞IO的web server性能更好，可能延遲還更大。 也就是說，select/epoll的優(yōu)勢并不是對于單個(gè)連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。

高并發(fā)的程序一般使用同步非阻塞方式而非多線程 + 同步阻塞方式。要理解這一點(diǎn)，首先要扯到并發(fā)和并行的區(qū)別。 比如去某部門辦事需要依次去幾個(gè)窗口，辦事大廳里的人數(shù)就是并發(fā)數(shù)，而窗口個(gè)數(shù)就是并行度。 也就是說并發(fā)數(shù)是指同時(shí)進(jìn)行的任務(wù)數(shù)（如同時(shí)服務(wù)的 HTTP 請求），而并行數(shù)是可以同時(shí)工作的物理資源數(shù)量（如 CPU 核數(shù)）。?

通過合理調(diào)度任務(wù)的不同階段，并發(fā)數(shù)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于并行度，這就是區(qū)區(qū)幾個(gè) CPU 可以支持上萬個(gè)用戶并發(fā)請求的奧秘。 在這種高并發(fā)的情況下，為每個(gè)任務(wù)（用戶請求）創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程或線程的開銷非常大。而同步非阻塞方式可以把多個(gè) IO 請求丟到后臺(tái)去， 這就可以在一個(gè)進(jìn)程里服務(wù)大量的并發(fā) IO 請求。

IO多路復(fù)用歸為同步阻塞模式

異步非阻塞 IO

相對于同步IO，異步IO不是順序執(zhí)行。用戶進(jìn)程進(jìn)行aio_read系統(tǒng)調(diào)用之后，無論內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，都會(huì)直接返回給用戶進(jìn)程， 然后用戶態(tài)進(jìn)程可以去做別的事情。等到socket數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，內(nèi)核直接復(fù)制數(shù)據(jù)給進(jìn)程，然后從內(nèi)核向進(jìn)程發(fā)送通知。IO兩個(gè)階段， 進(jìn)程都是非阻塞的。

Linux提供了AIO庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)異步，但是用的很少。目前有很多開源的異步IO庫，例如libevent、libev、libuv。異步過程如下圖所示：

更詳細(xì)的分析可參考?聊聊Linux5種IO模型

Java中四種I/O模型

上一章所述Unix中的五種I/O模型，除信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O外，Java對其它四種I/O模型都有所支持。

Java傳統(tǒng)IO模型即是同步阻塞I/O

NIO是同步非阻塞I/O

通過NIO實(shí)現(xiàn)的Reactor模式即是I/O多路復(fù)用模型的實(shí)現(xiàn)

通過AIO實(shí)現(xiàn)的Proactor模式即是異步I/O模型的實(shí)現(xiàn)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的详解 Java 中 4 种 I/O 模型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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