眾所周知，如果去百度、騰訊等一線大廠面試，一定會(huì)深入考候選人的基礎(chǔ)技術(shù)功底，其中尤為關(guān)鍵和重視的就是IO相關(guān)的技術(shù)和知識(shí)。
而要搞明白IO相關(guān)的概念，首先就得弄清楚同步與異步，阻塞與非阻塞到底是什么意思。
同步與異步
想要搞明白IO模型，就先得搞明白“同步”與“異步”的關(guān)系。
所謂的“同步”，比如說(shuō)調(diào)用者去調(diào)用一個(gè)接口，這個(gè)接口比如要執(zhí)行一些磁盤(pán)文件讀寫(xiě)操作，或者是網(wǎng)絡(luò)通信操作。
假設(shè)是“同步”的模式，調(diào)用者必須要等待這個(gè)接口的磁盤(pán)讀寫(xiě)或者網(wǎng)絡(luò)通信的操作執(zhí)行完畢了，調(diào)用者才能返回，這就是“同步”，如下圖所示：
所謂的“異步”，就是說(shuō)這個(gè)調(diào)用者調(diào)用接口之后，直接就返回了，他去干別的事兒了，也不管那個(gè)接口的磁盤(pán)讀寫(xiě)或者是網(wǎng)絡(luò)通信是否成功。
然后這個(gè)接口后續(xù)如果干完了自己的任務(wù)，比如寫(xiě)完了文件或者是什么的，會(huì)反過(guò)來(lái)通知調(diào)用者，之前你的那個(gè)調(diào)用成功了。可以通過(guò)一些內(nèi)部通信機(jī)制來(lái)通知，也可以通過(guò)回調(diào)函數(shù)來(lái)通知，如下圖。
用生活中的例子理解同步與異步
如果給大家舉個(gè)生活中的例子，那么就可以用買(mǎi)煙這個(gè)事兒來(lái)舉個(gè)例子
比如說(shuō)現(xiàn)在你要去一個(gè)柜臺(tái)買(mǎi)很多條香煙，但是現(xiàn)在柜臺(tái)沒(méi)那么多貨，他需要打電話給庫(kù)房來(lái)查一下有沒(méi)有足夠的貨。
這個(gè)時(shí)候，庫(kù)房的工作人員正好去吃飯了，那現(xiàn)在你有兩種選擇：
第一種選擇，你可以在柜臺(tái)等著，一直等待庫(kù)房工作人員回來(lái)，柜臺(tái)專員打通電話給他查到了庫(kù)存是否充足，你再走。
這個(gè)就是“同步”，你找柜臺(tái)工作人員買(mǎi)香煙，他要打電話給庫(kù)房工作人員問(wèn)庫(kù)存，如果你選擇“同步”模式，那么你就在柜臺(tái)一直等著，直到成功查詢到庫(kù)存為止。
第二種選擇，你可以先回家干點(diǎn)兒別的，比如說(shuō)洗衣服做飯之類的，然后過(guò)了一會(huì)兒，柜臺(tái)工作人員打通電話給庫(kù)房工作人員，查到香煙庫(kù)存了，就會(huì)打個(gè)電話給你，告訴你這個(gè)事兒。
這就是“異步”，你跟柜臺(tái)工作人員說(shuō)了這個(gè)事兒，就直接走了，干別的去了，柜臺(tái)工作人員后面完成他的任務(wù)之后，就會(huì)反過(guò)來(lái)打電話回調(diào)通知你。
阻塞與非阻塞
實(shí)際上阻塞與非阻塞的概念，通常是針對(duì)底層的IO操作來(lái)說(shuō)的。
比如現(xiàn)在我們的程序想要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，如果是阻塞IO模式，一旦發(fā)起請(qǐng)求到操作系統(tǒng)內(nèi)核去從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)，就會(huì)阻塞在那里，必須要等待網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)到達(dá)了之后，才能從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核，再?gòu)膬?nèi)核返回給程序，如下圖。
而非阻塞，指的就是程序發(fā)送請(qǐng)求給內(nèi)核要從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，但是此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還沒(méi)到，此時(shí)不會(huì)阻塞住，內(nèi)核會(huì)返回一個(gè)異常消息給程序。
程序就可以干點(diǎn)兒別的，然后過(guò)一會(huì)兒再來(lái)發(fā)起一次請(qǐng)求給內(nèi)核，讓內(nèi)核嘗試從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)。
因?yàn)槿绻W(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)還沒(méi)到位，是不會(huì)阻塞住程序的，需要程序自己不斷的輪詢內(nèi)核去嘗試讀取數(shù)據(jù)，所以這種IO就是非阻塞的。如下圖：
大家不要把“同步/異步”概念和“阻塞/非阻塞”概念混淆起來(lái)，實(shí)際上他們是兩組不同的概念。
“同步/異步”更多的是針對(duì)比如接口調(diào)用，服務(wù)調(diào)用，API類庫(kù)調(diào)用，類似這樣的場(chǎng)景。
而“阻塞/非阻塞”概念針對(duì)的是底層IO操作的場(chǎng)景，比如磁盤(pán)IO，網(wǎng)絡(luò)IO。但是在Java IO模型里，兩種概念之間是有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系的 。
Unix支持的5種IO模型
Unix操作系統(tǒng)支持的IO模型主要就是5種：
阻塞IO：就是上面圖里的那種阻塞IO模式，程序發(fā)起請(qǐng)求之后會(huì)阻塞，一直到系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)到達(dá)了，拷貝數(shù)據(jù)給程序進(jìn)程了，才能返回
非阻塞IO：就是上面圖里的那種非阻塞IO模式，程序發(fā)起請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)還沒(méi)到，就返回一個(gè)異常信息，程序不會(huì)阻塞在IO操作上，但是過(guò)一會(huì)兒還得再來(lái)發(fā)起請(qǐng)求給內(nèi)核，直到內(nèi)核發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)了，此時(shí)就會(huì)拷貝數(shù)據(jù)給程序進(jìn)程
IO多路復(fù)用：這個(gè)下面來(lái)講
信號(hào)驅(qū)動(dòng)式IO：一般很少用到，這里不說(shuō)明
異步IO：下面來(lái)講
JDK 1.4之前的同步阻塞IO
在JDK 1.4之前，主要就是同步阻塞IO模型，在Java里叫做BIO。
在Java代碼里調(diào)用IO相關(guān)接口，發(fā)起IO操作之后，Java程序就會(huì)同步等待，這個(gè)同步指的是Java程序調(diào)用IO API接口的層面而言。
而IO API在底層的IO操作是基于阻塞IO來(lái)的，向操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起IO請(qǐng)求，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)等待數(shù)據(jù)就位之后，才會(huì)執(zhí)行IO操作，執(zhí)行完畢了才會(huì)返回。
JDK 1.4之后的同步非阻塞NIO
在JDK 1.4之后提供了NIO，他的概念是同步非阻塞，也就是說(shuō)如果你調(diào)用NIO接口去執(zhí)行IO操作，其實(shí)還是同步等待的，但是在底層的IO操作上 ，會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)起非阻塞IO請(qǐng)求，以非阻塞的形式來(lái)執(zhí)行IO。
也就是說(shuō)，如果底層數(shù)據(jù)沒(méi)到位，那么內(nèi)核返回異常信息，不會(huì)阻塞住，但是NIO接口內(nèi)部會(huì)采用非阻塞方式過(guò)一會(huì)兒再次調(diào)用內(nèi)核發(fā)起IO請(qǐng)求，直到成功為止。
但是之所以說(shuō)是同步非阻塞，這里的“同步”指的就是因?yàn)樵谀愕腏ava代碼調(diào)用NIO接口層面是同步的，你還是要同步等待底層IO操作真正完成了才可以返回，只不過(guò)在執(zhí)行底層IO的時(shí)候采用了非阻塞的方式來(lái)執(zhí)行罷了。
NIO網(wǎng)絡(luò)通信與IO多路復(fù)用模型
實(shí)際上，如果基于NIO進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采取的就是多路復(fù)用的IO模型，這個(gè)多路復(fù)用IO模型針對(duì)的是網(wǎng)絡(luò)通信中的IO場(chǎng)景來(lái)說(shuō)的。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在基于Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)候，如果有多個(gè)客戶端跟你的服務(wù)端建立了Socket連接，那你就需要維護(hù)多個(gè)Socket連接。
而所謂的多路復(fù)用IO模型，就是說(shuō)你的Java代碼直接通過(guò)一個(gè)select函數(shù)調(diào)用，直接會(huì)進(jìn)入一個(gè)同步等待的狀態(tài)。
這也是為什么說(shuō)NIO一定是“同步”的，因?yàn)槟惚仨氃谶@里同步等待某個(gè)Socket連接有請(qǐng)求到來(lái)。
接著你就要同步等著select函數(shù)去對(duì)底層的多個(gè) Socket 連接進(jìn)行輪詢，不斷的查看各個(gè) Socket 連接誰(shuí)有請(qǐng)求到達(dá)，就可以讓select函數(shù)返回，交給我們的Java程序來(lái)處理。
select函數(shù)在底層會(huì)通過(guò)非阻塞的方式輪詢各個(gè)Socket，任何一個(gè)Socket如果沒(méi)有數(shù)據(jù)到達(dá)，那么非阻塞的特性會(huì)立即返回一個(gè)信息。
然后select函數(shù)可以輪詢下一個(gè)Socket，不會(huì)阻塞在某個(gè)Socket上，所以底層是基于這種非阻塞的模式來(lái)“監(jiān)視”各個(gè)Socket誰(shuí)有數(shù)據(jù)到達(dá)的。
這就是所謂的“同步非阻塞”，但是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)把上述工作都封裝在一個(gè)select函數(shù)調(diào)用里了，可以對(duì)多路Socket連接同時(shí)進(jìn)行監(jiān)視，所以就把這種模型稱之為“IO多路復(fù)用”模型。
通過(guò)這種IO多路復(fù)用的模型，就可以用一個(gè)線程，調(diào)用一個(gè)select函數(shù)，然后監(jiān)視大量的客戶端連接了，如下圖。
AIO以及異步IO模型
最后就是JDK 1.7之后，又支持了AIO，也叫做NIO 2.0，他就支持異步IO模型了。
我們先說(shuō)一下異步IO模型是什么意思。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是你的Java程序可以基于AIO API發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，比如說(shuō)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，AIO API底層會(huì)基于異步IO模型來(lái)調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。
此時(shí)不需要去管這個(gè)IO是否成功了，AIO接口會(huì)直接返回，你的Java程序也會(huì)直接返回。
然后，你的Java程序就可以去干別的事兒了。大家聯(lián)想一下上面說(shuō)的那個(gè)異步的例子，就可以理解這里為什么叫做異步了。
因?yàn)锽IO、NIO都是同步的，你發(fā)起IO請(qǐng)求，都必須同步等待IO操作完成。
但是這里你發(fā)起一個(gè)IO請(qǐng)求，直接AIO接口就返回了，你就可以干別的事兒了，純異步的方式。
不過(guò)你需要提供一個(gè)回調(diào)函數(shù)給AIO接口，一旦底層系統(tǒng)內(nèi)核完成了具體的IO請(qǐng)求，比如網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)之類的，就會(huì)回調(diào)你提供的回調(diào)函數(shù)。
比如說(shuō)你要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，那么此時(shí)AIO接口就會(huì)把操作系統(tǒng)異步讀取到的數(shù)據(jù)交給你的回調(diào)函數(shù)。
整個(gè)過(guò)程如下圖：
End
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