在高性能的IO体系设计中,有几个名词概念常常会使我们感到迷惑不解。具体如下: 



散仙不才,在查了一部分资料后,愿试着以通俗易懂的方式解释下这几个名词。如有不足之处,还望告知。 



在弄清楚上面的几个问题之前,我们首先得明白什么是同步,异步,阻塞,非阻塞,只有这几个单个概念理解清楚了,然后在组合理解起来,就相对比较容易了。 

1,同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。 同步/异步是在时间上强调处理事情的结果/机会成本的两种处理策略;强调结果意味着对结果的迫不急待,不过结果是正确的还是错误的,反正你要立即给我一个结果响应;强调时间机会成本意味着对等待结果浪费的时间极其难接受,而对结果并不是那么急切,暂时不管结果(让处理方处理完主动通知结果/自己空闲的时候主动去获取结果)而去处理其他事情

2,阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候,根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式,说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。


3,同步/异步是宏观上(进程间通讯,通常表现为网络IO的处理上),阻塞/非阻塞是微观上(进程内数据传输,通常表现为对本地IO的处理上);阻塞和非阻塞是同步/异步的表现形式

由上描述基本可以总结一句简短的话,同步和异步是目的,阻塞和非阻塞是实现方式。 






下面我们再来理解组合方式的IO类型,就好理解多了。 

同步阻塞IO(JAVA BIO): 
    同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善。 

同步非阻塞IO(Java NIO) : 同步非阻塞,服务器实现模式为一个请求一个线程,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。用户进程也需要时不时的询问IO操作是否就绪,这就要求用户进程不停的去询问。 

异步阻塞IO(Java NIO):  
   此种方式下是指应用发起一个IO操作以后,不等待内核IO操作的完成,等内核完成IO操作以后会通知应用程序,这其实就是同步和异步最关键的区别,同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成,那么为什么说是阻塞的呢?因为此时是通过select系统调用来完成的,而select函数本身的实现方式是阻塞的,而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄(如果从UNP的角度看,select属于同步操作。因为select之后,进程还需要读写数据),从而提高系统的并发性!  


(Java AIO(NIO.2))异步非阻塞IO:  
   在此种模式下,用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回,等IO操作真正的完成以后,应用程序会得到IO操作完成的通知,此时用户进程只需要对数据进行处理就好了,不需要进行实际的IO读写操作,因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。    



BIO、NIO、AIO适用场景分析: 

    BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。 

    NIO方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局限于应用中,编程比较复杂,JDK1.4开始支持。 

    AIO方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持。 

搞清楚了以上概念以后,我们再回过头来看看,Reactor模式和Proactor模式。  
  
(其实阻塞与非阻塞都可以理解为同步范畴下才有的概念,对于异步,就不会再去分阻塞非阻塞。对于用户进程,接到异步通知后,就直接操作进程用户态空间里的数据好了。)  
  
首先来看看Reactor模式,Reactor模式应用于同步I/O的场景。我们分别以读操作和写操作为例来看看Reactor中的具体步骤:  
读取操作:  
1. 应用程序注册读就绪事件和相关联的事件处理器  
  
2. 事件分离器等待事件的发生  
  
3. 当发生读就绪事件的时候,事件分离器调用第一步注册的事件处理器  
  
4. 事件处理器首先执行实际的读取操作,然后根据读取到的内容进行进一步的处理  
  
写入操作类似于读取操作,只不过第一步注册的是写就绪事件。  
   
  
下面我们来看看Proactor模式中读取操作和写入操作的过程:  
读取操作:  
1. 应用程序初始化一个异步读取操作,然后注册相应的事件处理器,此时事件处理器不关注读取就绪事件,而是关注读取完成事件,这是区别于Reactor的关键。  
  
2. 事件分离器等待读取操作完成事件  
  
3. 在事件分离器等待读取操作完成的时候,操作系统调用内核线程完成读取操作(异步IO都是操作系统负责将数据读写到应用传递进来的缓冲区供应用程序操作,操作系统扮演了重要角色),并将读取的内容放入用户传递过来的缓存区中。这也是区别于Reactor的一点,Proactor中,应用程序需要传递缓存区。  
  
4. 事件分离器捕获到读取完成事件后,激活应用程序注册的事件处理器,事件处理器直接从缓存区读取数据,而不需要进行实际的读取操作。  
  
Proactor中写入操作和读取操作,只不过感兴趣的事件是写入完成事件。  
  
从上面可以看出,Reactor和Proactor模式的主要区别就是真正的读取和写入操作是有谁来完成的,Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据,而Proactor模式中,应用程序不需要进行实际的读写过程,它只需要从缓存区读取或者写入即可,操作系统会读取缓存区或者写入缓存区到真正的IO设备.  
   
          综上所述,同步和异步是相对于应用和内核的交互方式而言的,同步 需要主动去询问,而异步的时候内核在IO事件发生的时候通知应用程序,而阻塞和非阻塞仅仅是系统在调用系统调用的时候函数的实现方式而已。  



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举个通俗的例子:

  • 同步阻塞:去餐馆点菜,等菜的同时不能干别的,直到菜好
  • 同步非阻塞:去餐馆点菜,等菜的时候玩把游戏,但是每玩两分钟就得问问菜好了没有
  • 异步阻塞:去餐馆点菜,点完后不用管了会有服务员端菜上来,这时我干坐着不干别的直到服务员端菜上来。
  • 异步非阻塞:去餐馆点菜,点完后不管了专心玩游戏,会有服务员端菜上来

参考文章:
https://blog.csdn.net/shimiso/article/details/24990499
https://blog.csdn.net/shimiso/article/details/24990499
https://www.zhihu.com/question/27991975

10-07 15:35