中华石杉的架构学习笔记

Unix与Java的IO模型

1，同步和异步的概念：针对比如接口调用，服务调用，API类库调用等

同步：用者必须要等待这个接口的磁盘读写或者网络通信的操作执行完毕了，调用者才能返回，这就是“同步”，如下图所示：

异步：所谓的“异步”，就是说这个调用者调用接口之后，直接就返回了，他去干别的事儿了，也不管那个接口的磁盘读写或者是网络通信是否成功，然后这个接口后续如果干完了自己的任务，比如写完了文件或者是什么的，会反过来通知调用者，之前你的那个调用成功了。可以通过一些内部通信机制来通知，也可以通过回调函数来通知，如下图：

2，阻塞和非阻塞：针对的是底层IO操作

阻塞：比如现在我们的程序想要通过网络读取数据，如果是阻塞IO模式，一旦发起请求到操作系统内核去从网络中读取数据，就会阻塞在那里，必须要等待网络中的数据到达了之后，才能从网络读取数据到内核，再从内核返回给程序，如下图。

非阻塞：程序发送请求给内核要从网络读取数据，但是此时网络中的数据还没到，此时不会阻塞住，内核会返回一个异常消息给程序，程序可以干点别的，然后不断去轮询去访问内核，看请求的数据是否读取到了 ，如下图：

3，BIO，NIO和AIO

BIO
主要就是同步阻塞IO模型，在Java里叫做BIO，在JDK1.4之前。在Java代码里调用IO相关接口，发起IO操作之后，Java程序就会同步等待，这个同步指的是Java程序调用IO API接口的层面而言。

而IO API在底层的IO操作是基于阻塞IO来的，向操作系统内核发起IO请求，系统内核会等待数据就位之后，才会执行IO操作，执行完毕了才会返回

NIO
在JDK 1.4之后提供了NIO，他的概念是同步非阻塞，也就是说如果你调用NIO接口去执行IO操作，其实还是同步等待的，但是在底层的IO操作上 ，会对系统内核发起非阻塞IO请求，以非阻塞的形式来执行IO。

也就是说，如果底层数据没到位，那么内核返回异常信息，不会阻塞住，但是NIO接口内部会采用非阻塞方式过一会儿再次调用内核发起IO请求，直到成功为止。

但是之所以说是同步非阻塞，这里的“同步”指的就是因为在你的Java代码调用NIO接口层面是同步的，你还是要同步等待底层IO操作真正完成了才可以返回，只不过在执行底层IO的时候采用了非阻塞的方式来执行罢了

NIO网络通信与IO多路复用模型
实际上，如果基于NIO进行网络通信，采取的就是多路复用的IO模型，这个多路复用IO模型针对的是网络通信中的IO场景来说的。

简单来说，就是在基于Socket进行网络通信的时候，如果有多个客户端跟你的服务端建立了Socket连接，那你就需要维护多个Socket连接。

而所谓的多路复用IO模型，就是说你的Java代码直接通过一个select函数调用，直接会进入一个同步等待的状态。

这也是为什么说NIO一定是“同步”的，因为你必须在这里同步等待某个Socket连接有请求到来。

接着你就要同步等着select函数去对底层的多个 Socket 连接进行轮询，不断的查看各个 Socket 连接谁有请求到达，就可以让select函数返回，交给我们的Java程序来处理。

select函数在底层会通过非阻塞的方式轮询各个Socket，任何一个Socket如果没有数据到达，那么非阻塞的特性会立即返回一个信息。

然后select函数可以轮询下一个Socket，不会阻塞在某个Socket上，所以底层是基于这种非阻塞的模式来“监视”各个Socket谁有数据到达的。

这就是所谓的“同步非阻塞”，但是因为操作系统把上述工作都封装在一个select函数调用里了，可以对多路Socket连接同时进行监视，所以就把这种模型称之为“IO多路复用”模型。

通过这种IO多路复用的模型，就可以用一个线程，调用一个select函数，然后监视大量的客户端连接了，如下图

AIO
最后就是JDK 1.7之后，又支持了AIO，也叫做NIO 2.0，他就支持异步IO模型了。

我们先说一下异步IO模型是什么意思。

简单来说，就是你的Java程序可以基于AIO API发起一个请求，比如说接收网络数据，AIO API底层会基于异步IO模型来调用操作系统内核。

此时不需要去管这个IO是否成功了，AIO接口会直接返回，你的Java程序也会直接返回。

然后，你的Java程序就可以去干别的事儿了。大家联想一下上面说的那个异步的例子，就可以理解这里为什么叫做异步了。

因为BIO、NIO都是同步的，你发起IO请求，都必须同步等待IO操作完成。

但是这里你发起一个IO请求，直接AIO接口就返回了，你就可以干别的事儿了，纯异步的方式。

不过你需要提供一个回调函数给AIO接口，一旦底层系统内核完成了具体的IO请求，比如网络读写之类的，就会回调你提供的回调函数。

比如说你要是通过网络读取数据，那么此时AIO接口就会把操作系统异步读取到的数据交给你的回调函数，如下图：