文章导读

  • 基本概念（相关系统调用函数，同步 & 异步，阻塞 & 非阻塞）
  • 阻塞 IO 模型
  • 非阻塞 IO 模型
  • IO 多路复用模型
  • 信号驱动 IO 模型
  • 异步 IO 模型
  • Java 中的 BIO、NIO、AIO

1. 基本概念

Linux 下的五种 IO 模型包括：阻塞 IO（Blocking IO）、非阻塞 IO（Non-blocking IO）、IO 多路复用（IO Multiplexing）、信号驱动 IO（Signal-driven IO）、异步 IO（Asynchronous IO）。

在深入模型之前，首先需要了解相关的系统调用函数及核心概念。

1.1 系统调用函数简介

以下系统调用函数基于 Linux 环境，参考了相关技术文档：

  • recvfrom
    Linux 系统提供给用户用于接收网络 IO 的系统接口。从套接字上接收一个消息，可同时应用于面向连接和无连接的套接字。
    如果此系统调用返回值 <0，并且 errno 为 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN（套接字已标记为非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超时）时，连接正常，阻塞接收数据（这很关键，前 4 种 IO 模型都涉及此系统调用）。
  • select
    select 系统调用允许程序同时在多个底层文件描述符上，等待输入的到达或输出的完成。以数组形式存储文件描述符，64 位机器默认2048个。当有数据准备好时，无法感知具体是哪个流 OK 了，所以需要一个一个地遍历，函数的时间复杂度为 O(n)。
  • poll
    以链表形式存储文件描述符，没有长度限制。本质与 select 相同，函数的时间复杂度也为 O(n)。
  • epoll
    基于事件驱动，如果某个流准备好了，会以事件通知，知道具体是哪个流，因此不需要遍历，函数的时间复杂度为 O(1)。
  • sigaction
    用于设置对信号的处理方式，也可检验对某信号的预设处理方式。Linux 使用 SIGIO 信号 来实现 IO 异步通知机制。

1.2 同步 & 异步

同步和异步是针对应用程序和内核交互而言的，也可理解为从被调用者（操作系统） 的角度来说：

  • 同步（Sync）：用户进程触发 IO 操作并等待或轮询地去查看是否就绪。
  • 异步（Async）：用户进程触发 IO 操作以后便开始做自己的事情，而当 IO 操作已经完成的时候会得到 IO 完成的通知（需要 CPU 支持）。

1.3 阻塞 & 非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，也可理解为从调用者（程序） 角度来说，根据 IO 操作的就绪状态来采取不同的方式：

  • 阻塞（Block）：读取或写入方法将一直等待，直到操作完成。
  • 非阻塞（Non-block）：读取或写入方法会立即返回一个状态值，不会等待。

场景类比说明：

为了更直观地理解，我们引入一个生活场景：下午写代码饿了，决定去肯德基买全家桶。

我跑去肯德基买全家桶，但是很不巧，轮到我时，全家桶卖完了，我只能等着新做一份……不同的 IO 模型就对应着不同的“等待”策略。

2. 阻塞 IO 模型

学习过操作系统的知识后，可以知道：不管是网络 IO 还是磁盘 IO，对于读操作而言，都是等到网络的某个数据分组到达后/数据准备好后，将数据拷贝到内核空间的缓冲区中，再从内核空间拷贝到用户空间的缓冲区。

拓展阅读：操作系统相关文章

此时我已饥渴难耐，全程盯着后厨，等待着一分一秒。终于全家桶做好了，在此期间虽然什么事也没干，但是最后能吃到全家桶，我很幸福。

此处需要一个清晰的脑回路：我就是程序，我想要全家桶，于是发起了系统调用；而后厨加工的过程就是在做数据准备和拷贝工作。全家桶最终到手，数据终于从内核空间拷贝到了用户空间。

简单看下执行流程：

阻塞 IO 模型流程解析：
阻塞 IO 的执行过程是进程进行系统调用，等待内核将数据准备好并复制到用户态缓冲区后，进程放弃使用 CPU 并一直阻塞在此，直到数据准备好。

3. 非阻塞 IO 模型

此时我每隔 5 分钟询问全家桶好了没，在数次盘问后，终于出炉了。在每一次盘问之前，对于程序来说是非阻塞的，占用 CPU 资源，可以做其他事情。

每次应用程序询问内核是否有数据准备好。如果就绪，就进行拷贝操作；如果未就绪，就不阻塞程序，内核直接返回未就绪的返回值，等待用户程序下一个轮询。

非阻塞 IO 模型流程解析：
大致经历两个阶段：

  • 等待数据阶段：未阻塞。用户进程需要“盲等”，不停地去轮询内核。
  • 数据复制阶段：阻塞。此时进行数据复制。

在这两个阶段中，用户进程只有在数据复制阶段被阻塞了，而等待数据阶段没有阻塞。但是用户进程需要不停地轮询内核，看数据是否准备好。

4. IO 多路复用模型

排了很长的队，终于轮到我支付后，拿到了一张小票，上面有号次。当全家桶出炉后，会喊相应的号次来取。KFC 营业员小姐姐打小票出号次的动作相当于操作系统多开了个线程，专门接收客户端的连接。我只关注叫到的是不是我的号，因此程序还需在服务端注册我想监听的事件类型。

多路复用一般都是用于网络 IO，服务端与多个客户端的建立连接。下面是神奇的多路复用执行过程：

IO 多路复用模型流程解析：
相比于阻塞 IO 模型，多路复用只是多了一个 select/poll/epoll 函数。select 函数会不断地轮询自己所负责的文件描述符/套接字的到达状态，当某个套接字就绪时，就对这个套接字进行处理。select 负责轮询等待，recvfrom 负责拷贝。当用户进程调用该 select，select 会监听所有注册好的 IO，如果所有 IO 都没注册好，调用进程就阻塞。

对于客户端来说，一般感受不到阻塞，因为请求来了，可以放到线程池里执行；但对于执行 select 的操作系统而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某个套接字变为可读。

IO 多路复用其实是阻塞在 select、poll、epoll 这类系统调用上的，复用的是执行这些系统调用的线程。

5. 信号驱动 IO 模型

跑 KFC 嫌麻烦，刚好有个会员，直接点份外卖，美滋滋。当外卖送达时，会收到取餐电话（信号）。在收到取餐电话之前，我可以愉快地吃鸡或者学习。

当数据报准备好的时候，内核会向应用程序发送一个信号，进程对信号进行捕捉，并且调用信号处理函数来获取数据报。

信号驱动 IO 模型流程解析：
该模型也分为两个阶段：

  • 数据准备阶段：未阻塞。当数据准备完成之后，会主动通知用户进程数据已经准备完成，对用户进程做一个回调。
  • 数据拷贝阶段：阻塞用户进程，等待数据拷贝。

6. 异步 IO 模型

此时科技的发展已经超乎想象了，外卖机器人将全家桶自动送达并转换成营养快速注入我的体内，同时还能得到口感的满足。注入结束后，机器人会提醒我注入完毕。在这个期间我可以放心大胆地玩，甚至注射的时候也不需要停下来！

类比一下，就是用户进程发起系统调用后，立刻就可以开始去做其他的事情，然后直到 I/O 数据准备好并复制完成后，内核会给用户进程发送通知，告诉用户进程操作已经完成了。

异步 IO 模型特点：

  1. 异步 I/O 执行的两个阶段都不会阻塞读写操作，由内核完成。
  2. 完成后内核将数据放到指定的缓冲区，通知应用程序来取。

7. Java 中的 BIO、NIO、AIO

操作系统的 IO 模型是底层基石，Java 对于 IO 的操作其实就是进一步的封装，适配一些系统调用方法，让开发更高效。

注：BIO、NIO、AIO 涉及相关实操代码已收录至我的 GitHub，欢迎 Star。

7.1 BIO -- 同步阻塞的编程方式

JDK 1.4 之前常用的编程方式。

实现过程：
首先在服务端启动一个 ServerSocket 来监听网络请求，客户端启动 Socket 发起网络请求。默认情况下 ServerSocket 会建立一个线程来处理此请求。如果服务端没有线程可用，客户端则会阻塞等待或遭到拒绝，并发效率比较低。

服务器实现的模式是一个连接一个线程。若有客户端有连接请求，服务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，也可以通过线程池机制改善。

使用场景：
BIO 适用于连接数目比较小且固定的架构，对服务器资源要求高，并发局限于应用中。

7.2 NIO -- 同步非阻塞的编程方式

7.2.1 NIO 简介

NIO 本身是基于事件驱动思想来完成的。当 Socket 有流可读或可写入时，操作系统会相应地通知应用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。一个有效的请求对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

服务器实现模式为一个请求一个通道。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。

使用场景：
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，编程复杂，JDK 1.4 开始支持。

7.2.2 NIO 中的几种重要角色

有缓冲区 Buffer，通道 Channel，多路复用器 Selector。

7.2.2.1 Buffer

在 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区（用户空间缓冲区） 处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，也是写入到缓冲区中。任何时候访问 NIO 中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实际上是一个数组，并提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。

Buffer 的应用固定逻辑：

  • 写操作顺序

    1. clear()
    2. put() -> 写操作
    3. flip() -> 重置游标
    4. SocketChannel.write(buffer) -> 将缓存数据发送到网络的另一端
    5. clear()

  • 读操作顺序

    1. clear()
    2. SocketChannel.read(buffer) -> 从网络中读取数据
    3. buffer.flip()
    4. buffer.get() -> 读取数据
    5. buffer.clear()
相关的代码我会更新至 GitHub。
7.2.2.2 Channel

NIO 中对数据的读取和写入要通过 Channel，它就像水管一样，是一个通道。通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。

7.2.2.3 Selector

多路复用器，用于注册通道。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。

7.3 AIO -- 异步非阻塞编程方式

进行读写操作时，只须直接调用 API 的 read 或 write 方法即可。一个有效请求对应一个线程，客户端的 IO 请求都是 OS 先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

使用场景：
AIO 方式适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，JDK 1.7 开始支持。

总结

从效率上来说，可以简单理解为：阻塞 IO < 非阻塞 IO < 多路复用 IO < 信号驱动 IO < 异步 IO。

从同步和异步来说，只有异步 IO 模型是异步的，其他均为同步。

说明：

  • 本文基于 Linux 通用 IO 模型理论整理。
  • Java NIO 自 JDK 1.4 引入，AIO (NIO.2) 自 JDK 1.7 引入。在实际高并发场景中，NIO（配合 Netty 等框架）应用更为广泛，AIO 因生态及性能表现原因使用相对较少。