IO操作：同步，异步，阻塞，非阻塞

思考：

编程讨论的I/O模型，一般是在网络通信方面

对I/O模型的理解抓住一个关键点，I/O操作分两步：

1、等待数据准备好

2、将数据从内核空间拷贝到用户空间

a) 阻塞和非阻塞I/O，一般讨论的是第一阶段，等待数据准备好的策略。阻塞I/O的意思是，一直等待数据准备好，才进行到下一步；非阻塞I/O，查看数据是否准备好，如果在规定时间内还没准备好，那么就返回错误，如果数据准备好了，就进行下一步。

b) 此外还有信号驱动式I/O，此方式一旦调用就立刻返回，如果数据就绪，内核会发送一个信号给调用进程，然后进程执行到下一步。信号驱动式I/O和后面将要提到的异步I/O有相似的地方，区别是：信号驱动式I/O，内核发送信号告诉进程，什么时候启动IO操作，I/O操作本身还是阻塞的；异步I/O是，内核发送信号告诉进程数据读取什么时候完成，不会出现I/O阻塞的情况。

c) I/O多路复用：虽然I/O多路复用的函数也是阻塞的，但是其与以上两种还是有不同的，I/O多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。也就是，I/O多路复用在等待数据准备好这一阶段，针对单个I/O口并不会阻塞，但是将数据从内核空间拷贝到用户空间依旧会阻塞进程。

d) 异步I/O：调用异步I/O系统立刻返回，等到 等待数据准备好，将数据从内核空间拷贝到用户空间这两步操作都完成，内核才向进程发送信号。也就是整个操作（包括等待数据准备好，从内核拷贝数据均不在调用进程里面执行）

总结：

同步I/O和异步I/O区别在第二步：同步I/O在将数据从内核拷贝到用户空间时，会出现阻塞；而异步I/O，在将数据从内核拷贝到用户空间时不是调用进程完成，因此不会阻塞进程。


阻塞I/O，非阻塞I/O、信号驱动I/O、I/O多路复用，都属于同步I/O。

同步 ：调用进程自己处理I/O读写
异步 ：使用异步I/O时，将I/O读写委托给内核处理

Java对BIO、NIO、AIO的支持：

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。

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。

AIO ：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。

既然网络上众说纷纭，不如找个权威参考一下，这个权威就是《UNIX网络编程：卷一》第六章——I/O复用。书中向我们提及了5种类UNIX下可用的I/O模型：

阻塞式I/O；

非阻塞式I/O；

I/O复用（select，poll，epoll...）；

信号驱动式I/O（SIGIO）；

异步I/O（POSIX的aio_系列函数）；

阻塞式I/O模型：默认情况下，所有套接字都是阻塞的。怎么理解？先理解这么个流程，一个输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待数据准备好；

（2）从内核向进程复制数据。

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。 好，下面我们以阻塞套接字的recvfrom的的调用图来说明阻塞





标红的这部分过程就是阻塞，直到阻塞结束recvfrom才能返回。

非阻塞式I/O： 以下这句话很重要：进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把进程投入睡眠，而是返回一个错误。看看非阻塞的套接字的recvfrom操作如何进行





可以看出recvfrom总是立即返回。

I/O多路复用：虽然I/O多路复用的函数也是阻塞的，但是其与以上两种还是有不同的，I/O多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。如图





信号驱动式I/O：用的很少，就不做讲解了。直接上图





异步I/O：这类函数的工作机制是告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到用户空间）完成后通知我们。如图：





注意红线标记处说明在调用时就可以立马返回，等函数操作完成会通知我们。

等等，大家一定要问了，同步这个概念你怎么没涉及啊？别急，您先看总结。 其实前四种I/O模型都是同步I/O操作，他们的区别在于第一阶段，而他们的第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间），进程阻塞于recvfrom调用。相反，异步I/O模型在这两个阶段都要处理。





再看POSIX对这两个术语的定义：

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；

异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。

好，下面我用我的语言来总结一下阻塞，非阻塞，同步，异步

阻塞，非阻塞：进程/线程要访问的数据是否就绪，进程/线程是否需要等待；

同步，异步：访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞；异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。

转载自：http://yaocoder.blog.51cto.com/2668309/1308899