【NIO系列】——之IO模型
这是【NIO系列】第二篇，欢迎持续关注:java
【NIO系列】——之TCP探秘linux
上一篇咱们讲到了关于TCP/IP协议的一些内容，这些是网络编程的必备知识。在了解NIO以前咱们必需要了解一下对应的系统层IO模型，好比java的NIO对应是那种IO模型，阻塞和同步的差别在哪里，又是否相同。了解了这些更方便咱们的后续的NIO探解。编程
1、同步、异步、阻塞、非阻塞
同步、异步，阻塞、非阻塞，这四种状态常有人分不清，主要是这四种状态的定义自己也不是很明确，因此各类解答的方式都有。常见的分类有如下:网络
同步阻塞IO架构
同步非阻塞IO异步
异步非阻塞IOsocket
针对某种IO模型，咱们如何分类，能够基于POSIX对同步/异步的定义来判别:async
- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;函数
- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;spa
那么从上咱们能够看出:
阻塞：是否阻塞主要体如今调用的线程是否能够干别的，关注的是程序的等待状态
同步：是否同步体如今消息通讯机制上 。
也就是说同步和异步说的是消息的通知机制，阻塞非阻塞说的是线程的状态 。
若是说以上的定义依然没法判别，咱们能够从输入操做的两个阶段来看：
通常来讲，一个输入操做一般包括两个不一样阶段：
（1）等待数据准备好；（2）从内核向进程复制数据。
是否同步的判断依据是:是否针对的是整个过程，也就是2个阶段，是否有阻塞。
是否阻塞的判断依据是:按程序（线程）等待消息通知时的状态角度来讲的，也就是主要是针对第一阶段来讲。
举例
咱们举例来讲:
好比说作饭这件事，通常要分为连个步骤。
一、买菜，准备食材
二、炒菜，作出饭菜
方案一：本身动手处理。
一、去超市买菜，准备食材（阻塞，当前时段只能作一件事，且须要持续的等待）
二、回家切菜，炒菜，作出美味饭菜（阻塞，仍是本身来处理）
评价: 方案一同步阻塞。首先阶段一是阻塞的，因此认定为阻塞，两个阶段都是阻塞的，认定为同步的。
方案二：盒马配送食材，本身作饭
一、网上下单，盒马配送食材，快递到了会敲门联系你。（非阻塞的，这期间你能够干其余事）
二、拿到菜，切菜、炒菜，作出美味饭菜（阻塞）
评价：方案二为同步非阻塞。阶段一为非阻塞，认定为非阻塞。阶段二为阻塞，两阶段中有一个为阻塞，认定为同步。
方案三：盒马配送，请阿姨作饭
一、网上下单，盒马配送食材，快递到了会敲门联系你。（非阻塞的，这期间你能够干其余事）
二、网上请阿姨小时工，帮忙作这一餐，作好通知我。（非阻塞，期间能够干其余事）
评价：方案三为异步非阻塞。阶段一为非阻塞，认定为非阻塞。阶段二非阻塞，则两阶段中都没有阻塞，认定为异步。
那么是否有异步阻塞IO模型，没有，要记得异步状态是包含二个阶段的，若是有阻塞的过程，为什么还叫异步？
网上有不少介绍有异步阻塞模型的，我目前查到的资料尚未这个证实，如有找到相关论文，还请指教。目前我认为没有这个模型的。
2、Unix 5种I/O模型
在《UNIX网络编程：卷一》的第六章书中列出了五种IO模型：
-
阻塞式I/O；
-
非阻塞式I/O；
-
I/O复用（select，poll，epoll...）；
-
信号驱动式I/O（SIGIO）；
-
异步I/O（POSIX的aio_系列函数）；
1.阻塞式I/O
同步阻塞 IO 模型是最经常使用的一个模型，也是最简单的模型。在linux中，默认状况下全部的socket都是blocking。它符合人们最多见的思考逻辑。
在这个IO模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform），这会致使应用程序阻塞，什么也不干，直到数据准备好，等待kernel准备好从网络上接收到的数据报 + 等待收到的报文被从kernel复制到buf中，recvfrom方法才会返回，最后进程再处理数据。
这就是阻塞式IO模型
2.非阻塞式I/O
非阻塞IO时对一个非阻塞描述符循环调用recvfrom，持续的轮询（polling）,以查看某个操做是否就绪。与阻塞IO不同，"非阻塞将大的整片时间的阻塞分红N多的小的阻塞, 因此进程不断地有机会 '被' CPU光顾"。
非阻塞的recvform系统调用调用以后，进程并无被阻塞，内核立刻返回给进程，若是数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回以后，能够干点别的事情，而后再发起recvform系统调用。如此循环的进行recvform系统调用，检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程。拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。
这就是非阻塞式IO模型
3.I/O复用
IO multiplexing就是咱们说的select，poll，epoll 。为什么叫多路复用，是由于它I/O多路复用能够同时监听多个fd，如此就减小了为每一个须要监听的fd开启线程的开销。
select调用是内核级别的，能够等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，而后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，这个过程是阻塞的。
I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，可是和阻塞I/O所不一样的的，这几个函数能够同时阻塞多个I/O操做`。并且能够同时对多个读操做，多个写操做的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时（不是等到socket数据所有到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理），才真正调用I/O操做函数。
IO复用有人把其成为同步非阻塞的，也有称为同步阻塞。其实这个是否阻塞还须要看第一个阶段，第一个阶段有的阻塞，有的不阻塞。主要也是阻塞在select阶段，属于用户主动等待阶段，咱们且规范为阻塞状态，因此，把IO多路复用归为同步阻塞模式。
这是IO复用的模型:
select、poll、epoll的不一样
4.信号驱动式I/O
信号驱动式I/O：首先咱们容许Socket进行信号驱动IO,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，能够在信号处理函数中调用I/O操做函数处理数据。
也就是说第一个阶段，彻底是非阻塞的，等数据到达会给一个信号通知，第二个阶段recvfrom仍是阻塞过程，和之上无差别。
信号驱动式I/O 过程以下:
5.异步I/O
异步IO不是顺序执行,用户进程进行aio_read系统调用以后，不管内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，而后用户态进程能够去作别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，而后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。
总结
针对这5中IO模型，我采用一张图来总结一下。
3、java IO
Unix中的五种I/O模型，除信号驱动I/O外，Java对其它四种I/O模型都有所支持。其中Java最先提供的blocking I/O便是同步阻塞I/O，而NIO便是同步非阻塞I/O，同时经过NIO实现的Reactor模式便是I/O复用模型的实现，经过AIO实现的Proactor模式便是异步I/O模型的实现。
因此说严格意义上来讲，经过Reactor模式实现的NIO，和unix中的I/O多路复用是相同的概念，但这是一种编程模型，而不是原生支持。这也是咱们下面所要进行的netty讲解的主要思想。
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