阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、同步、異步、BIO、NIO、AIO 一鍋端

作者：sowhat1412 2021-03-04 08:34:55

承接上文的操作系統(tǒng)，關(guān)于IO會(huì)涉及到阻塞、非阻塞、多路復(fù)用、同步、異步、BIO、NIO、AIO等幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)雖然不難但平常經(jīng)常容易搞混，特此Mark下，與君共勉。

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1 阻塞跟非阻塞

1.1 阻塞

阻塞IO

阻塞IO情況下，當(dāng)用戶調(diào)用read后，用戶線程會(huì)被阻塞，等內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并且數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶態(tài)緩存區(qū)后read才會(huì)返回。可以看到是阻塞的兩個(gè)部分。

CPU把數(shù)據(jù)從磁盤讀到內(nèi)核緩沖區(qū)。

CPU把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)。

1.2 非阻塞

非阻塞IO

非阻塞IO發(fā)出read請(qǐng)求后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒準(zhǔn)備好，會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行，此時(shí)應(yīng)用程序會(huì)不斷輪詢polling內(nèi)核詢問數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，當(dāng)數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好時(shí)，內(nèi)核立即返回EWOULDBLOCK錯(cuò)誤。直到數(shù)據(jù)被拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)，read請(qǐng)求才獲取到結(jié)果。并且你要注意!這里最后一次 read 調(diào)用獲取數(shù)據(jù)的過程，是一個(gè)同步的過程，是需要等待的過程。這里的同步指的是內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶程序的緩存區(qū)這個(gè)過程。

1.3 IO多路復(fù)用

IO多路復(fù)用

非阻塞情況下無可用數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序每次輪詢內(nèi)核看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好了也耗費(fèi)CPU，能否不讓它輪詢，當(dāng)內(nèi)核緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，以事件通知當(dāng)機(jī)制告知應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了呢?應(yīng)用進(jìn)程在沒有收到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的事件通知信號(hào)時(shí)可以忙寫其他的工作。此時(shí)IO多路復(fù)用就派上用場(chǎng)了。

IO多路復(fù)用中文比較讓人頭大，IO多路復(fù)用的原文叫 I/O multiplexing，這里的 multiplexing 指的其實(shí)是在單個(gè)線程通過記錄跟蹤每一個(gè)Sock(I/O流)的狀態(tài)來同時(shí)管理多個(gè)I/O流. 發(fā)明它的目的是盡量多的提高服務(wù)器的吞吐能力。實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程監(jiān)控多個(gè)IO請(qǐng)求，哪個(gè)IO有請(qǐng)求就把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程緩沖區(qū)，拷貝期間是阻塞的!現(xiàn)在已經(jīng)可以通過采用mmap地址映射的方法，達(dá)到內(nèi)存共享效果，避免真復(fù)制，提高效率。

IO多路復(fù)用

像select、poll、epoll 都是I/O多路復(fù)用的具體的實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 select

select是第一版IO復(fù)用，提出后暴漏了很多問題。

select 會(huì)修改傳入的參數(shù)數(shù)組，這個(gè)對(duì)于一個(gè)需要調(diào)用很多次的函數(shù)，是非常不友好的。
select 如果任何一個(gè)sock(I/O stream)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)，select 僅僅會(huì)返回，但不會(huì)告訴是那個(gè)sock上有數(shù)據(jù)，只能自己遍歷查找。
select 只能監(jiān)視1024個(gè)鏈接。
select 不是線程安全的，如果你把一個(gè)sock加入到select, 然后突然另外一個(gè)線程發(fā)現(xiàn)這個(gè)sock不用，要收回，這個(gè)select 不支持的。

1.3.2 poll

poll 修復(fù)了 select 的很多問題。

poll 去掉了1024個(gè)鏈接的限制。

poll 從設(shè)計(jì)上來說不再修改傳入數(shù)組。

但是poll仍然不是線程安全的，這就意味著不管服務(wù)器有多強(qiáng)悍，你也只能在一個(gè)線程里面處理一組 I/O 流。你當(dāng)然可以拿多進(jìn)程來配合了，不過然后你就有了多進(jìn)程的各種問題。

1.3.3 epoll

epoll 可以說是 I/O 多路復(fù)用最新的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，epoll 修復(fù)了poll 和select絕大部分問題，比如：

epoll 現(xiàn)在是線程安全的。

epoll 現(xiàn)在不僅告訴你sock組里面數(shù)據(jù)，還會(huì)告訴你具體哪個(gè)sock有數(shù)據(jù)，你不用自己去找了。

epoll 內(nèi)核態(tài)管理了各種IO文件描述符，以前用戶態(tài)發(fā)送所有文件描述符到內(nèi)核態(tài)，然后內(nèi)核態(tài)負(fù)責(zé)篩選返回可用數(shù)組，現(xiàn)在epoll模式下所有文件描述符在內(nèi)核態(tài)有存，查詢時(shí)不用傳文件描述符進(jìn)去了。

1.3.4 三者對(duì)比

對(duì)比圖

橫軸 Dead connections 是鏈接數(shù)的意思，叫這個(gè)名字只是它的測(cè)試工具叫deadcon。縱軸是每秒處理請(qǐng)求的數(shù)量，可看到epoll每秒處理請(qǐng)求的數(shù)量基本不會(huì)隨著鏈接變多而下降的。poll 和/dev/poll 就很慘了。但 epoll 有個(gè)致命的缺點(diǎn)是只有l(wèi)inux支持。

比如平常Nginx為何可以支持4W的QPS是因?yàn)樗鼤?huì)使用目標(biāo)平臺(tái)上面最高效的I/O多路復(fù)用模型。

1.4 異步IO

異步IO

然后你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面的提到過的操作都不是真正的異步，因?yàn)閮蓚€(gè)階段總要等待會(huì)兒!而真正的異步 I/O 是內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好和數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶態(tài)這兩個(gè)過程都不用等待。

很慶幸，Linux給我們準(zhǔn)備了aio_read跟aio_write函數(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的異步，當(dāng)用戶發(fā)起aio_read請(qǐng)求后就會(huì)自動(dòng)返回。內(nèi)核會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進(jìn)程空間，應(yīng)用進(jìn)程啥都不用管。

2 同步跟異步

2.1 同步

同步跟異步的區(qū)別在于數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間是否由用戶線程完成，這里又分為同步阻塞跟同步非阻塞兩種。

同步阻塞：此時(shí)一個(gè)線程維護(hù)一個(gè)連接，該線程完成數(shù)據(jù)到讀寫跟處理到全部過程，數(shù)據(jù)讀寫時(shí)時(shí)線程是被阻塞的。
同步非阻塞：非阻塞的意思是用戶線程發(fā)出讀請(qǐng)求后，讀請(qǐng)求不會(huì)阻塞當(dāng)前用戶線程，不過用戶線程還是要不斷的去主動(dòng)判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備OK了。此時(shí)還是會(huì)阻塞等待內(nèi)核復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶進(jìn)程。他與同步BIO區(qū)別是使用一個(gè)連接全程等待

我們以同步非阻塞為例，如下可看到，在將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間這一過程，是由用戶線程阻塞完成的。

同步非阻塞

2.2 異步

對(duì)于異步來說，用戶進(jìn)行讀或者寫后，將立刻返回，由內(nèi)核去完成數(shù)據(jù)讀取以及拷貝工作，完成后通知用戶，并執(zhí)行回調(diào)函數(shù)(用戶提供的callback)，此時(shí)數(shù)據(jù)已從內(nèi)核拷貝到用戶空間，用戶線程只需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可，不需要關(guān)注讀寫，用戶不需要等待內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)制操作，用戶在得到通知時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)被復(fù)制到用戶空間。我們以如下的真實(shí)異步非阻塞為例。

異步IO

可發(fā)現(xiàn)，用戶在調(diào)用之后會(huì)立即返回，由內(nèi)核完成數(shù)據(jù)的拷貝工作，并通知用戶線程，進(jìn)行回調(diào)。

2.3 同步跟異步對(duì)比

同步關(guān)注的消息通信機(jī)制synchronous communication，在發(fā)出一個(gè)調(diào)用時(shí)，在沒有得到結(jié)果之前，該調(diào)用就不返回。但是一旦調(diào)用返回，就得到返回值了。換句話說，就是由調(diào)用者主動(dòng)等待這個(gè)調(diào)用的結(jié)果。

異步關(guān)注消息通信機(jī)制asynchronous communication，調(diào)用在發(fā)出之后，這個(gè)調(diào)用就直接返回了，所以沒有返回結(jié)果。換句話說，當(dāng)一個(gè)異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不會(huì)立刻得到結(jié)果。而是在調(diào)用發(fā)出后，被調(diào)用者通過狀態(tài)、通知來通知調(diào)用者，或通過回調(diào)函數(shù)處理這個(gè)調(diào)用。

3 Java IO

在Java中，我們使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，IO主要有三種模式，主要看內(nèi)核支持哪些。

BIO：同步阻塞IO。
NIO：同步非阻塞IO。
AIO：異步非阻塞IO。

3.1 BIO

同步阻塞IO，每個(gè)客戶端的Socket連接請(qǐng)求，服務(wù)端都會(huì)對(duì)應(yīng)有個(gè)處理線程與之對(duì)應(yīng)，對(duì)于沒有分配到處理線程的連接就會(huì)被阻塞或者拒絕。相當(dāng)于是一個(gè)連接一個(gè)線程。

BIO

BIO特點(diǎn)：

使用一個(gè)獨(dú)立的線程維護(hù)一個(gè)socket連接，隨著連接數(shù)量的增多，對(duì)虛擬機(jī)造成一定壓力。
使用流來讀取數(shù)據(jù)，流是阻塞的，當(dāng)沒有可讀/可寫數(shù)據(jù)時(shí)，線程等待，會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

3.1.1 BIO 樣例

常量：

public class Constant { 
    public static final String HOST = "127.0.0.1"; 
    public static final int PORT = 8080; 
}

主類：

public class ClientMain { 
    public static void main(String[] args) { 
        //開啟服務(wù) 
        System.out.println("開啟服務(wù),監(jiān)聽端口:" + Constant.PORT); 
        new Thread(new ServerThread()).start(); 
        //建立一個(gè)socket客戶端,發(fā)起請(qǐng)求 
        System.out.println("客戶端,請(qǐng)求連接,并發(fā)送數(shù)據(jù)"); 
        try { 
            Socket socket = new Socket(Constant.HOST,Constant.PORT); 
            //開啟新的線程處理socket連接 
            new Thread(new ClientProcessThread(socket)).start(); 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
 
    } 
}

服務(wù)端監(jiān)聽線程：

// 開啟服務(wù)監(jiān)聽線程,當(dāng)收到連接請(qǐng)求后,開啟新的線程進(jìn)行處理 
public class ServerThread implements Runnable{ 
    @Override 
    public void run() { 
        try { 
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(Constant.PORT); 
            while (true){ 
                Socket socket = serverSocket.accept(); 
                new Thread(new ServerProcessThread(socket)).start(); 
                //開啟新的線程進(jìn)行連接請(qǐng)求的處理 
            } 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

服務(wù)端處理線程：

import java.io.*; 
import java.net.Socket; 
/** 
 * 服務(wù)端收到連接請(qǐng)求后,處理請(qǐng)求的線程,阻塞式IO 
 */ 
public class ServerProcessThread implements Runnable { 
    private Socket socket; 
    public ServerProcessThread(Socket socket){ 
        this.socket = socket; 
    } 
    @Override 
    public void run() { 
        //獲取客戶端的數(shù)據(jù),并寫回 
        //等待響應(yīng) 
        try { 
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); 
            String line = ""; 
            String requestStr = ""; 
            System.out.println("來自客戶端的數(shù)據(jù):"); // 讀取客戶端數(shù)據(jù) 
            while((line = bufferedReader.readLine()) != null){ 
                requestStr += line; 
                System.out.println(line); 
            } 
            //  從服務(wù)端發(fā)給客戶端數(shù)據(jù) 
            Writer writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()); 
            writer.write("data from server " + requestStr + "\r\n"); 
            writer.flush(); 
            writer.close(); 
            bufferedReader.close(); 
            socket.close(); 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

客戶端：

/** 
 * 維護(hù)客戶端socket連接的線程,阻塞式IO 
 */ 
public class ClientProcessThread implements Runnable { 
    private Socket socket; 
    public ClientProcessThread(Socket socket){ 
        this.socket = socket; 
    } 
    @Override 
    public void run() { 
        //寫數(shù)據(jù),等待響應(yīng),輸出響應(yīng) 
        String requestStr = "data from client \r\n"; 
        try { 
            Writer writer = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()); 
            writer.write(requestStr); 
            writer.flush(); 
            socket.shutdownOutput(); 
            //等待響應(yīng) 
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); 
            String line; 
            System.out.println("來自服務(wù)端的響應(yīng):"); 
            while((line = bufferedReader.readLine()) != null){ 
                System.out.println(line); 
            } 
            writer.close(); 
            bufferedReader.close(); 
            socket.close(); 
 
        } catch (IOException e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
}

輸出結(jié)果：

3.2 NIO

同步非阻塞IO之NIO：服務(wù)器端保存一個(gè)Socket連接列表，然后對(duì)這個(gè)列表進(jìn)行輪詢，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)Socket端口上有數(shù)據(jù)可讀時(shí)說明讀就緒，則調(diào)用該socket連接的相應(yīng)讀操作。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè) Socket端口上有數(shù)據(jù)可寫時(shí)說明寫就緒，則調(diào)用該socket連接的相應(yīng)寫操作。如果某個(gè)端口的Socket連接已經(jīng)中斷，則調(diào)用相應(yīng)的析構(gòu)方法關(guān)閉該端口。這樣能充分利用服務(wù)器資源，效率得到了很大提高，在進(jìn)行IO操作請(qǐng)求時(shí)候再用個(gè)線程去處理，是一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程。Java中使用Selector、Channel、Buffer來實(shí)現(xiàn)上述效果。

NIO

每個(gè)線程中包含一個(gè)Selector對(duì)象，它相當(dāng)于一個(gè)通道管理器，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)線程中處理多個(gè)通道的目的，減少線程的創(chuàng)建數(shù)量。遠(yuǎn)程連接對(duì)應(yīng)一個(gè)channel，數(shù)據(jù)的讀寫通過buffer均在同一個(gè)channel中完成，并且數(shù)據(jù)的讀寫是非阻塞的。通道創(chuàng)建后需要注冊(cè)在selector中，同時(shí)需要為該通道注冊(cè)感興趣事件(客戶端連接服務(wù)端事件、服務(wù)端接收客戶端連接事件、讀事件、寫事件)，selector線程需要采用輪訓(xùn)的方式調(diào)用selector的select函數(shù)，直到所有注冊(cè)通道中有興趣的事件發(fā)生，則返回，否則一直阻塞。而后循環(huán)處理所有就緒的感興趣事件。以上步驟解決BIO的兩個(gè)瓶頸：

不必對(duì)每個(gè)連接分別創(chuàng)建線程。
數(shù)據(jù)讀寫非阻塞。

下面對(duì)以下三個(gè)概念做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，Java NIO由以下三個(gè)核心部分組成：

selector：Selector 允許單線程處理多個(gè)Channel。如果你的應(yīng)用打開了多個(gè)連接(通道)，但每個(gè)連接的流量都很低，使用Selector就會(huì)很方便。要使用Selector，得向Selector注冊(cè)Channel，然后調(diào)用他的select方法，這個(gè)方法會(huì)一直阻塞到某個(gè)注冊(cè)的通道有事件就緒。一旦這個(gè)方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子入有新連接接進(jìn)來，數(shù)據(jù)接收等。
Channel：基本上所有的IO在NIO中都從一個(gè)Channel開始。Channel有點(diǎn)像流，數(shù)據(jù)可以從channel讀到buffer，也可以從buffer寫到channel。
Buffer：緩沖區(qū)本質(zhì)上是一個(gè)可以讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，可以理解成是一個(gè)容器對(duì)象(含數(shù)組)，該對(duì)象提供了一組方法，可以更輕松的使用內(nèi)存塊，緩沖區(qū)對(duì)象內(nèi)置了一些機(jī)制，能夠跟蹤和記錄緩沖區(qū)的狀態(tài)變換情況，Channel提供從文件，網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的渠道，但是讀取或者寫入的數(shù)據(jù)都必須經(jīng)由Buffer。

channel和buffer有好幾種類型。下面是Java NIO中的一些主要channel的實(shí)現(xiàn)：

FileChannel 
DatagramChannel 
SocketChannel 
ServerSocketChannel

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP和TCP網(wǎng)絡(luò)IO，以及文件IO。以下是Java NIO里關(guān)鍵的buffer實(shí)現(xiàn)：

ByteBuffer 
CharBuffer 
FloatBuffer 
IntBuffer 
LongBuffer 
ShortBuffer

在微服務(wù)階段，一個(gè)請(qǐng)求可能涉及到多個(gè)不同服務(wù)之間的跨服務(wù)器調(diào)用，如果你想實(shí)現(xiàn)高性能的PRC框架來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，那就可以基于Java NIO做個(gè)支持長(zhǎng)連接、自定義協(xié)議、高并發(fā)的框架，比如Netty。Netty本身就是一個(gè)基于NIO的網(wǎng)絡(luò)框架，封裝了Java NIO那些復(fù)雜的底層細(xì)節(jié)，給你提供簡(jiǎn)單好用的抽象概念來編程。比如Dubbo底層就是用的Netty。