BIO、NIO和AIO

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IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。

同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)
所谓同步，就是在发出一个”调用“时，在没有得到结果之前，该”调用“就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。
换句话说，就是由”调用者“主动等待这个”调用“的结果。

而异步则是相反，调用者在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，”调用者“不会立刻得到结果。而是在”调用“发出后，”被调用者“通过状态、通知来通知”调用者“，或通过回调函数处理这个调用。

典型的异步编程模型比如Node.js

举个通俗的例子：
你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，”我查一下”，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。
而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下啊，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

还是上面的例子，
你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了， 当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。
在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

BIO

​ 在JDK1.4出来之前，我们建立网络连接的时候采用BIO模式，需要先在服务端启动一个ServerSocket，然后在客户端启动Socket来对服务端进行通信，默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程相应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求，如果有的话，客户端会线程会等待请求结束后才继续执行。

NIO

​ NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题： 在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

​ NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。 也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，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。

BIO与NIO一个比较重要的不同，是我们使用BIO的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而NIO则是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程。

​ NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

​ 在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

　　HTTP/1.1出现后，有了Http长连接，这样除了超时和指明特定关闭的http header外，这个链接是一直打开的状态的，这样在NIO处理中可以进一步的进化，在后端资源中可以实现资源池或者队列，当请求来的话，开启的线程把请求和请求数据传送给后端资源池或者队列里面就返回，并且在全局的地方保持住这个现场(哪个连接的哪个请求等)，这样前面的线程还是可以去接受其他的请求，而后端的应用的处理只需要执行队列里面的就可以了，这样请求处理和后端应用是异步的.当后端处理完，到全局地方得到现场，产生响应，这个就实现了异步处理。

AIO

​ 与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。 即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

  • AsynchronousSocketChannel
  • AsynchronousServerSocketChannel
  • AsynchronousFileChannel
  • AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。

BIO是一个连接一个线程。

NIO是一个请求一个线程。

AIO是一个有效请求一个线程。

先来个例子理解一下概念，以银行取款为例：

  • 同步 ： 自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步IO时，Java自己处理IO读写）；
  • 异步 ： 委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS需要支持异步IO操作API）；
  • 阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；
  • 非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

Java对BIO、NIO、AIO的支持

  • Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器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，当然可以通过线程池机制改善。
  • Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，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。
  • Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

  • BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
  • 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，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
  • AIO方式使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，JDK7开始支持。

另外，I/O属于底层操作，需要操作系统支持，并发也需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。

在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

​ 在比较这两个模式之前，我们首先的搞明白几个概念，什么是阻塞和非阻塞，什么是同步和异步,同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪，而异步是指用户进程触发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。而阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

一般来说I/O模型可以分为：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞IO

同步阻塞IO：在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！

同步非阻塞IO:在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

异步阻塞IO：此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

异步非阻塞IO：在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。

1、烧水示例

老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
老张觉得自己有点傻
2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。
3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
老张觉得这样傻等意义不大
4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）
老张觉得自己聪明了。

所谓同步异步，只是对于水壶而言。
普通水壶，同步；响水壶，异步。
虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。
同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。

所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。
立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。
情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

2、在处理 IO 的时候，阻塞和非阻塞都是同步 IO。
只有使用了特殊的 API 才是异步 IO。

3个层次的同步、异步、阻塞、非阻塞

  1. CPU层次；
  2. 线程层次；
  3. 程序员感知层次。

这几个概念之所以容易混淆，是因为没有分清楚是在哪个层次进行讨论。

CPU层次

在CPU层次，或者说操作系统进行IO和任务调度的层次，现代操作系统通常使用异步非阻塞方式进行IO（有少部分IO可能会使用同步非阻塞轮询），即发出IO请求之后，并不等待IO操作完成，而是继续执行下面的指令（非阻塞），IO操作和CPU指令互不干扰（异步），最后通过中断的方式来通知IO操作完成结果。

线程层次

在线程层次，或者说操作系统调度单元的层次，操作系统为了减轻程序员的思考负担，将底层的异步非阻塞的IO方式进行封装，把相关系统调用（如read，write等）以同步的方式展现出来。然而，同步阻塞的IO会使线程挂起，同步非阻塞的IO会消耗CPU资源在轮询上。为了解决这一问题，就有3种思路：

  1. 多线程（同步阻塞）；
  2. IO多路复用（select，poll，epoll）（同步非阻塞，严格地来讲，是把阻塞点改变了位置）；
  3. 直接暴露出异步的IO接口，如kernel-aio和IOCP（异步非阻塞）。
程序员感知层次

在Linux中，上面提到的第2种思路用得比较广泛，也是比较理想的解决方案。然而，直接使用select之类的接口，依然比较复杂，所以各种库和框架百花齐放，都试图对IO多路复用进行封装。此时，库和框架提供的API又可以选择是以同步的方式还是异步的方式来展现。如python的asyncio库中，就通过协程，提供了同步阻塞式的API；如node.js中，就通过回调函数，提供了异步非阻塞式的API。

总结

因此，我们在讨论同步、异步、阻塞、非阻塞时，必须先明确是在哪个层次进行讨论。比如node.js，我们可以说她在程序员感知层次提供了异步非阻塞的API，也可以说在Linux下，她在线程层次以同步非阻塞的epoll来实现。

参考

https://www.zhihu.com/question/19732473

http://www.cnblogs.com/moonandstar08/p/5068339.html

https://www.jianshu.com/p/ef418ccf2f7d

https://www.jianshu.com/p/ef418ccf2f7d

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