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眾所周知，如果去百度、騰訊等一線大廠面試，一定會深入考候選人的基礎技術功底，其中尤為關鍵和重視的就是IO相關的技術和知識。 而要搞明白IO相關的概念，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”的關系。 所謂的“同步”，比如說調用者去調用一個接口，這個接口比如要執(zhí)行一些磁盤文件讀寫操作，或者是網(wǎng)絡通信操作。 假設是“同步”的模式，調用者必須要等待這個接口的磁盤讀寫或者網(wǎng)絡通信的操作執(zhí)行完畢了，調用者才能返回，這就是“同步”，如下圖所示： 所謂的“異步”，就是說這個調用者調用接口之后，直接就返回了，他去干別的事兒了，也不管那個接口的磁盤讀寫或者是網(wǎng)絡通信是否成功。 然后這個接口后續(xù)如果干完了自己的任務，比如寫完了文件或者是什么的，會反過來通知調用者，之前你的那個調用成功了。可以通過一些內部通信機制來通知，也可以通過回調函數(shù)來通知，如下圖。 用生活中的例子理解同步與異步 如果給大家舉個生活中的例子，那么就可以用買煙這個事兒來舉個例子 比如說現(xiàn)在你要去一個柜臺買很多條香煙，但是現(xiàn)在柜臺沒那么多貨，他需要打電話給庫房來查一下有沒有足夠的貨。 這個時候，庫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，你可以在柜臺等著，一直等待庫房工作人員回來，柜臺專員打通電話給他查到了庫存是否充足，你再走。 這個就是“同步”，你找柜臺工作人員買香煙，他要打電話給庫房工作人員問庫存，如果你選擇“同步”模式，那么你就在柜臺一直等著，直到成功查詢到庫存為止。 第二種選擇，你可以先回家干點兒別的，比如說洗衣服做飯之類的，然后過了一會兒，柜臺工作人員打通電話給庫房工作人員，查到香煙庫存了，就會打個電話給你，告訴你這個事兒。 這就是“異步”，你跟柜臺工作人員說了這個事兒，就直接走了，干別的去了，柜臺工作人員后面完成他的任務之后，就會反過來打電話回調通知你。 阻塞與非阻塞 實際上阻塞與非阻塞的概念，通常是針對底層的IO操作來說的。 比如現(xiàn)在我們的程序想要通過網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)，如果是阻塞IO模式，一旦發(fā)起請求到操作系統(tǒng)內核去從網(wǎng)絡中讀取數(shù)據(jù)，就會阻塞在那里，必須要等待網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)到達了之后，才能從網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)到內核，再從內核返回給程序，如下圖。 而非阻塞，指的就是程序發(fā)送請求給內核要從網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)，但是此時網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)還沒到，此時不會阻塞住，內核會返回一個異常消息給程序。 程序就可以干點兒別的，然后過一會兒再來發(fā)起一次請求給內核，讓內核嘗試從網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)。 因為如果網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)還沒到位，是不會阻塞住程序的，需要程序自己不斷的輪詢內核去嘗試讀取數(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，實際上他們是兩組不同的概念。 “同步/異步”更多的是針對比如接口調用，服務調用，API類庫調用，類似這樣的場景。 而“阻塞/非阻塞”概念針對的是底層IO操作的場景，比如磁盤IO，網(wǎng)絡IO。但是在Java IO模型里，兩種概念之間是有一定的關聯(lián)關系的 。 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：
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代碼里調用IO相關接口，發(fā)起IO操作之后，Java程序就會同步等待，這個同步指的是Java程序調用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來的，向操作系統(tǒng)內核發(fā)起IO請求，系統(tǒng)內核會等待數(shù)據(jù)就位之后，才會執(zhí)行IO操作，執(zhí)行完畢了才會返回。 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，也就是說如果你調用NIO接口去執(zhí)行IO操作，其實還是同步等待的，但是在底層的IO操作上 ，會對系統(tǒng)內核發(fā)起非阻塞IO請求，以非阻塞的形式來執(zhí)行IO。 也就是說，如果底層數(shù)據(jù)沒到位，那么內核返回異常信息，不會阻塞住，但是NIO接口內部會采用非阻塞方式過一會兒再次調用內核發(fā)起IO請求，直到成功為止。 但是之所以說是同步非阻塞，這里的“同步”指的就是因為在你的Java代碼調用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，只不過在執(zhí)行底層IO的時候采用了非阻塞的方式來執(zhí)行罷了。 NIO網(wǎng)絡通信與IO多路復用模型 實際上，如果基于NIO進行網(wǎng)絡通信，采取的就是多路復用的IO模型，這個多路復用IO模型針對的是網(wǎng)絡通信中的IO場景來說的。 簡單來說，就是在基于Socket進行網(wǎng)絡通信的時候，如果有多個客戶端跟你的服務端建立了Socket連接，那你就需要維護多個Socket連接。 而所謂的多路復用IO模型，就是說你的Java代碼直接通過一個select函數(shù)調用，直接會進入一個同步等待的狀態(tài)。 這也是為什么說NIO一定是“同步”的，因為你必須在這里同步等待某個Socket連接有請求到來。 接著你就要同步等著select函數(shù)去對底層的多個 Socket 連接進行輪詢，不斷的查看各個 Socket 連接誰有請求到達，就可以讓select函數(shù)返回，交給我們的Java程序來處理。 select函數(shù)在底層會通過非阻塞的方式輪詢各個Socket，任何一個Socket如果沒有數(shù)據(jù)到達，那么非阻塞的特性會立即返回一個信息。 然后select函數(shù)可以輪詢下一個Socket，不會阻塞在某個Socket上，所以底層是基于這種非阻塞的模式來“監(jiān)視”各個Socket誰有數(shù)據(jù)到達的。 這就是所謂的“同步非阻塞”，但是因為操作系統(tǒng)把上述工作都封裝在一個select函數(shù)調用里了，可以對多路Socket連接同時進行監(jiān)視，所以就把這種模型稱之為“IO多路復用”模型。 通過這種IO多路復用的模型，就可以用一個線程，調用一個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。 我們先說一下異步IO模型是什么意思。 簡單來說，就是你的Java程序可以基于AIO API發(fā)起一個請求，比如說接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，AIO API底層會基于異步IO模型來調用操作系統(tǒng)內核。 此時不需要去管這個IO是否成功了，AIO接口會直接返回，你的Java程序也會直接返回。 然后，你的Java程序就可以去干別的事兒了。大家聯(lián)想一下上面說的那個異步的例子，就可以理解這里為什么叫做異步了。 因為BIO、NIO都是同步的，你發(fā)起IO請求，都必須同步等待IO操作完成。 但是這里你發(fā)起一個IO請求，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。 不過你需要提供一個回調函數(shù)給AIO接口，一旦底層系統(tǒng)內核完成了具體的IO請求，比如網(wǎng)絡讀寫之類的，就會回調你提供的回調函數(shù)。 比如說你要是通過網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)，那么此時AIO接口就會把操作系統(tǒng)異步讀取到的數(shù)據(jù)交給你的回調函數(shù)。 整個過程如下圖： End 作者簡介： |
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