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圖解四種 IO 模型的前世今生

最近越來越認為，在講解技術(shù)相關(guān)問題時，大白話固然很重要，通俗易懂，讓人有想讀下去的欲望。但幾乎所有的事，都有兩面性，在看到其帶來好處時，不妨想想是否也引入了不好的地方。

例如在博客中，過于大白話的語言的確會讓你閱讀起來更加順暢，也更容易理解。但這都是其他人理解，已經(jīng)咀嚼過了的，人家是已經(jīng)完全理解了，你從這些信息中大概可能會觀察不到全貌。所以，適當(dāng)?shù)陌自捠呛芎玫模@個度得控制一下。

接下來切入正文。

相信大家經(jīng)常看到這個問題：

BIO、NIO 和 AIO 有什么區(qū)別?

看到這個問題，可能你腦海中就會浮現(xiàn)以下這些字眼。比如 BIO 就是如果從內(nèi)核獲取數(shù)據(jù)會一直阻塞，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢返回。再比如 NIO，內(nèi)核在數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好時不會阻塞住，調(diào)用程序會一直詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否 Ready。

雖然是正確的，字?jǐn)?shù)也很少。但是這樣一來，你看這些概念就不是理解，而是背誦了。其實 BIO 和 NIO 這類的名詞還有一個共同的名字叫——IO模型，總共有:

圖解四種 IO 模型的前世今生

IO 模型

由于信號驅(qū)動 IO 在實際中不常用，我們主要講以下四種模型：

同步阻塞
同步非阻塞
IO 多路復(fù)用
異步 IO

這里還是通過例子來理解這 4 種 IO 模型：

假設(shè)此時客戶端正在發(fā)送一些數(shù)據(jù)到服務(wù)器，并且數(shù)據(jù)已經(jīng)通過客戶端的協(xié)議棧、網(wǎng)卡，陸陸續(xù)續(xù)的到達了服務(wù)器這邊的內(nèi)核態(tài) Buffer 中了。

不清楚用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)區(qū)別的可以看看《簡單聊聊用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別》

對數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中是如何傳輸?shù)募毠?jié)感興趣的，可以去看看我之前寫的文章《請求數(shù)據(jù)包從發(fā)送到接收，都經(jīng)歷了什么?》。

同步阻塞 BIO

我們需要知道，內(nèi)核在處理數(shù)據(jù)的時候其實是分成了兩個階段：

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
數(shù)據(jù)復(fù)制

在網(wǎng)絡(luò) IO 中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可能是客戶端還有部分?jǐn)?shù)據(jù)還沒有發(fā)送、或者正在發(fā)送的途中，當(dāng)前內(nèi)核 Buffer 中的數(shù)據(jù)并不完整;而數(shù)據(jù)復(fù)制則是將內(nèi)核態(tài) Buffer 中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶態(tài)的 Buffer 中去。

當(dāng)調(diào)用線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用時，如果此時內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒有 Ready，調(diào)用線程會阻塞住，等待內(nèi)核 Buffer 的數(shù)據(jù)。內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒之后，會將內(nèi)核態(tài) Buffer 的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶態(tài) Buffer 中，這個過程中調(diào)用線程仍然是阻塞的，直到數(shù)據(jù)復(fù)制完成，整個流程用圖來表示就張這樣：

圖解四種 IO 模型的前世今生

同步非阻塞 NIO

相信大家知道 Java 中有個包叫 nio，但那跟我們現(xiàn)在正在討論的 NIO 不是同一個概念。

現(xiàn)在正在討論的是 Non-Blocking IO，代表同步非阻塞，是一種基礎(chǔ)的 IO 模型。而 nio 包則是 New IO，里面的 IO 模型實際上是 IO多路復(fù)用，大家不要搞混淆了。

有了 BIO 的基礎(chǔ)，這次我們直接來看圖：

圖解四種 IO 模型的前世今生

NIO

還是分為兩個階段來討論。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段。此時用戶線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用，此時內(nèi)核會立即返回一個錯誤，告訴用戶態(tài)數(shù)據(jù)還沒有 Read，然后用戶線程不停地發(fā)起請求，詢問內(nèi)核當(dāng)前數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)復(fù)制階段。此時用戶線程還在不斷的發(fā)起請求，但是當(dāng)數(shù)據(jù) Ready 之后，用戶線程就會陷入阻塞，直到數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)復(fù)制到用戶態(tài)。

稍微總結(jié)一下，如果內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)沒有 Ready，用戶線程不會阻塞;但是如果內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù) Ready 了，即使當(dāng)前的 IO 模型是同步非阻塞，用戶線程仍然會進入阻塞狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)復(fù)制完成，并不是絕對的非阻塞。

那 NIO 的好處是啥呢?顯而易見，實時性好，內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)沒有 Ready 會立即返回。但是事情的兩面性就來了，頻繁的輪詢內(nèi)核，會占用大量的 CPU 資源，降低效率。

IO 多路復(fù)用

IO 多路復(fù)用實際上就解決了 NIO 中的頻繁輪詢 CPU 的問題。在之前的 BIO 和 NIO 中只涉及到一種系統(tǒng)調(diào)用——read，在 IO 多路復(fù)用中要引入新的系統(tǒng)調(diào)用——select。

read 用于讀取內(nèi)核態(tài) Buffer 中的數(shù)據(jù)，而 select 你可以理解成 MySQL 中的同名關(guān)鍵字，用于查詢 IO 的就緒狀態(tài)。

在 NIO 中，內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)沒有 Ready 會導(dǎo)致用戶線程不停的輪詢，從而拉滿 CPU。而在 IO 多路復(fù)用中調(diào)用了 select 之后，只要數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，用戶線程就會阻塞住，避免了頻繁的輪詢當(dāng)前的 IO 狀態(tài)，用圖來表示的話是這樣：

圖解四種 IO 模型的前世今生

IO 多路復(fù)用

異步 AIO

該模型的實現(xiàn)就如其名，是異步的。用戶線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用之后，無論內(nèi)核 Buffer 數(shù)據(jù)是否 Ready，都不會阻塞，而是立即返回。

內(nèi)核在收到請求之后，會開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好了&復(fù)制完成之后會由內(nèi)核發(fā)送一個 Signal 給用戶線程，或者回調(diào)用戶線程注冊的接口進行通知。用戶線程收到通知之后就可以去讀取用戶態(tài) Buffer 的數(shù)據(jù)了。

圖解四種 IO 模型的前世今生