五分鐘掌握同步異步I/O同步阻塞同步非阻塞異步阻塞異步非阻塞

網絡通訊原理

在講I\O的時候，先簡單講下網絡通訊原理。
網絡通訊四要素：本機的IP地址、子網掩碼、網關的IP地址和DNS的IP地址。
四要素有兩種方式：一是靜態獲取，即手動配置；二是動態獲取，即通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）獲取

網絡通訊的過程

• 瀏覽器解析網址（IP地址+協議+端口號）,通過訪問DNS域名系統服務器（基於UDP）獲得IP地址
• 生成HTTP消息並轉交給Socket抽象層
• 再經過傳輸層，網絡層，鏈路層等。細節先省略。可以參照：網絡通訊的的整體流程
  
  Socket起源於UNIX，在UNIX“一切皆文件”的哲學思想下，Socket是一種從打開，到完成讀、寫操作，最後關閉的模式，服務器和客戶端各自維護一個“文件”，在建立連接打開文件後，可以向自己的文件寫入內容供對方讀取或者讀取對方的內容，通信結束時關閉文件。

I/O

用戶進程中的一次完整I/O交互流程分爲兩階段，首先是經過內核空間，也就是由操作系統處理；緊接着就是到用戶空間，也就是交由應用程序。

通俗地將，可以將I/O分爲兩步：第一步是等待；第二步是數據搬遷。

阻塞I/O模型

阻塞I/O模型特點：在I\O執行的兩個階段（等待數據和拷貝數據）都被阻塞。
下圖中紅色部分都是阻塞。
典型應用：阻塞Socket、Java BIO
優點：阻塞掛起不消耗CPU資源

非阻塞I/O模型

相比較阻塞I/O，多了一個輪詢訪問內核是否存在。
典型應用：Socket設置NON_BLOCK
缺點:輪詢調用，消耗CPU資源

多路複用I/O模型

多路複用I/O模型和阻塞I/O模型並沒有太大的不同，事實上，還更差一些，因爲這裏需要使用兩次系統調用（select和recvfrom），而阻塞I/O模型只有一次系統調用（recvfrom）。但是，用Selector的優勢在於它可以同時處理多個連接，所以如果處理的連接數不是很多，多路複用I\O模型並不一定比使用多線程加阻塞I\O性能要好，可能延時更大。優勢在於能處於更多的連接。
典型應用：Java NIO，Nginx（epoll，poll，select）

信號驅動I\O模型

信號驅動I/O是指進程預先告知內核，向內核註冊一個信號處理函數，然後用戶進程返回不阻塞，當內核數據就緒時會發送一個信號給進程，用戶進程便在信號處理函數中調用I/O讀取數據。
應用場景比較少。

異步I/O模型

工作機制：告知內核啓動某個操作，並讓內核在整個操作完成後通知我們。
與信號驅動I/O模型的區別：信號驅動I/O模型是由內核通知我們何時可以啓動一個I/O操作，這個I/O操作由用戶自定義的信號函數來實現，而異步I/O模型由內核告知我們I/O操作何時完成
典型應用：Java 7 AIO，高性能服務器應用
不阻塞，數據一步到位，採用Proactor模式
缺點：需要操作系統底層支持，Linux2.5內核首現 2.6產的內部標準特性

易於混淆的概念

• 同步阻塞
• 同步非阻塞
• 異步阻塞
• 異步非阻塞

同步和異步的區別：
同步：應用程序主動發起請求詢問狀態（輪詢）
異步：服務方會主動通知請求方

阻塞和非阻塞的區別：
阻塞：等待返回數據之前，當前的線程是掛起狀態
非阻塞：等待返回數據之前，當前的線程是運行狀態，可以繼續處理其他任務

列子：

（1）這個時候，如果我們一直在店裏面什麼都不幹，一直等待直到洗完照片，這個過程就叫同步阻塞。
（2）當然，大部分人很少這麼幹，更多的是大家拿起手機開始看電視，看一會兒就會問老闆洗完沒，老闆說沒洗完，然後接着看，再過一會兒接着問，直到照片洗完，這個過程就叫同步非阻塞。
（3）由於店裏生意太好了，越來越多的人過來拍，店裏面快沒地方坐了，老闆說你把手機號留下，我一會兒洗好了就打電話告訴你過來取，然後你去外面找了一個長凳開始躺着睡覺等待老闆打電話，什麼都不幹，這個過程就叫異步阻塞（實際不應用）。
（4）當然實際情況是，大家可能會先去逛街或者喫飯，或者做其他活動，這樣一來，兩不耽誤，這個過程就叫異步非阻塞（效率最高）。

各I/O模型的對比與總結

阻塞程度：阻塞I/O>非阻塞I/O>多路複用I/O>信號驅動I/O>異步I/O，效率是由低到高的。

BIO、NIO、AIO

BIO：一個連接只用一個線程來處理。
NIO：單線程管理多個連接。緩衝區（Buffer）、選擇器（Selector）和通道（Channel）
AIO：異步I/O，把I/O讀寫操作完全交給操作系統。操作系統主動通知實現異步。

BIO	NIO	AIO
面向流	面向緩衝區	操作系統主動通知用戶線程
阻塞I\O	非阻塞I\O	Proactor設計模式

參考資料
[1]: Netty 4核心原理與手寫RPC框架實戰