IO的阻塞与非阻塞、同步与异步以及Java网络IO交互方式 Java, 网络

yuyang911220

　最近工作中，接触到了Java网络编程方面的东西：Socket、NIO、MongoDB等，也看了tomcat的源码，也加强了线程方面的知识，也使用了MINA这样的框架。感觉获益良多，原本技术上的薄弱环节也在慢慢提高，很多想写的东西，也在慢慢规划整理。无奈最近在筹备婚礼的事情，显得有些耽搁。　　想了很久，决定先写写IO中经常被提到的概念——“同步与异步、阻塞与非阻塞”以及在Java网络编程中的简单运用。
　　想达到的目的有两个：
　　1。深入的理解同步与异步、阻塞与非阻塞，这看似烂大街的词汇很多人已经习惯不停的说，但却说不出其中的所以然，包括我。
　　2。理解各种IO模型在Java网络IO中的运用，能够根据不同的应用场景选择合适的交互方式。了解不同的交互方式对IO性能的影响。
前提

　　首先先强调上下文：下面提到了同步与异步、阻塞与非阻塞的概念都是在IO的场合下。它们在其它场合下有着不同的含义，比如操作系统中，通信技术上。
　　然后借鉴下《Unix网络编程卷》中的理论：
　　IO操作中涉及的2个主要对象为程序进程、系统内核。以读操作为例，当一个IO读操作发生时，通常经历两个步骤：
　　1，等待数据准备
　　2，将数据从系统内核拷贝到操作进程中
　　例如，在socket上的读操作，步骤1会等到网络数据包到达，到达后会拷贝到系统内核的缓冲区；步骤2会将数据包从内核缓冲区拷贝到程序进程的缓冲区中。
阻塞（blocking）与非阻塞（non-blocking）IO

IO的阻塞、非阻塞主要表现在一个IO操作过程中，如果有些操作很慢，比如读操作时需要准备数据，那么当前IO进程是否等待操作完成，还是得知暂时不能操作后先去做别的事情？一直等待下去，什么事也不做直到完成，这就是阻塞。抽空做些别的事情，这是非阻塞。
　　非阻塞IO会在发出IO请求后立即得到回应，即使数据包没有准备好，也会返回一个错误标识，使得操作进程不会阻塞在那里。操作进程会通过多次请求的方式直到数据准备好，返回成功的标识。
　　想象一下下面两种场景：
　　A 小明和小刚两个人都很耿直内向，一天小明来找小刚借书：“小刚啊，你那本XXX借我看看”。 于是小刚就去找书，小明就等着，找了半天找到了，把书给了小明。

　　B 小明和小刚两个人都很活泼外向，一天小明来找小刚借书：“嘿小刚，你那本XXX借我看看”。 小刚说：“我得找一会”，小明就去打球去了。过会又来，这次书找到了，把书给了小明。
　　结论：A是阻塞的，B是非阻塞的。
　　从CPU角度可以看出非阻塞明显提高了CPU的利用率，进程不会一直在那等待。但是同样也带来了线程切换的增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。
同步（synchronous）与异步（asynchronous）IO
　　先来看看正式点的定义，POSIX标准将IO模型分为了两种：同步IO和异步IO，Richard Stevens在《Unix网络编程卷》中也总结道：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

　　可以看出，判断同步和异步的标准在于：一个IO操作直到完成，是否导致程序进程的阻塞。如果阻塞就是同步的，没有阻塞就是异步的。这里的IO操作指的是真实的IO操作，也就是数据从内核拷贝到系统进程（读）的过程。
　　继续前面借书的例子，异步借书是这样的：
　　C 小明很懒，一天小明来找小刚借书：“嘿小刚，你那本XXX借我看看”。 小刚说：“我得找一会”，小明就出去打球了并且让小刚如果找到了就把书拿给他。小刚是个负责任的人，找到了书送到了小明手上。

　　A和B的借书方式都是同步的，有人要问了B不是非阻塞嘛，怎么还是同步？
　　前面说了IO操作的2个步骤：准备数据和把数据从内核中拷贝到程序进程。映射到这个例子，书即是准备的数据，小刚是内核，小明是程序进程，小刚把书给小明这是拷贝数据。在B方式中，小刚找书这段时间小明的确是没闲着，该干嘛干嘛，但是小刚找到书把书给小明的这个过程也就是拷贝数据这个步骤，小明还是得乖乖的回来候着小刚把书递手上。所以这里就阻塞了，根据上面的定义，所以是同步。
　　在涉及到 IO 处理时通常都会遇到一个是同步还是异步的处理方式的选择问题。同步能够保证程序的可靠性，而异步可以提升程序的性能。小明自己去取书不管等着不等着迟早拿到书，指望小刚找到了送来，万一小刚忘了或者有急事忙别的了，那书就没了。