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  • Java 中阻塞非阻塞io以及同步异步IO

    然后借鉴下《Unix网络编程卷》中的理论:

      IO操作中涉及的2个主要对象为程序进程、系统内核。以读操作为例,当一个IO读操作发生时,通常经历两个步骤:

      1,等待数据准备

      2,将数据从系统内核拷贝到操作进程中

      例如,在socket上的读操作,步骤1会等到网络数据包到达,到达后会拷贝到系统内核的缓冲区;步骤2会将数据包从内核缓冲区拷贝到程序进程的缓冲区中。

    阻塞(blocking)与非阻塞(non-blocking)IO

      IO的阻塞、非阻塞主要表现在一个IO操作过程中,如果有些操作很慢,比如读操作时需要准备数据,那么当前IO进程是否等待操作完成,还是得知暂时不能操作后先去做别的事情?一直等待下去,什么事也不做直到完成,这就是阻塞。抽空做些别的事情,这是非阻塞。

      非阻塞IO会在发出IO请求后立即得到回应,即使数据包没有准备好,也会返回一个错误标识,使得操作进程不会阻塞在那里。操作进程会通过多次请求的方式直到数据准备好,返回成功的标识。

      想象一下下面两种场景:

      A 小明和小刚两个人都很耿直内向,一天小明来找小刚借书:“小刚啊,你那本XXX借我看看”。 于是小刚就去找书,小明就等着,找了半天找到了,把书给了小明。

      B 小明和小刚两个人都很活泼外向,一天小明来找小刚借书:“嘿小刚,你那本XXX借我看看”。 小刚说:“我得找一会”,小明就去打球去了。过会又来,这次书找到了,把书给了小明。

      结论:A是阻塞的,B是非阻塞的。

      从CPU角度可以看出非阻塞明显提高了CPU的利用率,进程不会一直在那等待。但是同样也带来了线程切换的增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

    同步(synchronous)与异步(asynchronous)IO

      先来看看正式点的定义,POSIX标准将IO模型分为了两种:同步IO和异步IO,Richard Stevens在《Unix网络编程卷》中也总结道:

    A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
    An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

      可以看出,判断同步和异步的标准在于:一个IO操作直到完成,是否导致程序进程的阻塞。如果阻塞就是同步的,没有阻塞就是异步的。这里的IO操作指的是真实的IO操作,也就是数据从内核拷贝到系统进程(读)的过程。

      继续前面借书的例子,异步借书是这样的:

      C 小明很懒,一天小明来找小刚借书:“嘿小刚,你那本XXX借我看看”。 小刚说:“我得找一会”,小明就出去打球了并且让小刚如果找到了就把书拿给他。小刚是个负责任的人,找到了书送到了小明手上。

      A和B的借书方式都是同步的,有人要问了B不是非阻塞嘛,怎么还是同步?

      前面说了IO操作的2个步骤:准备数据和把数据从内核中拷贝到程序进程。映射到这个例子,书即是准备的数据,小刚是内核,小明是程序进程,小刚把书给小明这是拷贝数据。在B方式中,小刚找书这段时间小明的确是没闲着,该干嘛干嘛,但是小刚找到书把书给小明的这个过程也就是拷贝数据这个步骤,小明还是得乖乖的回来候着小刚把书递手上。所以这里就阻塞了,根据上面的定义,所以是同步。

      在涉及到 IO 处理时通常都会遇到一个是同步还是异步的处理方式的选择问题。同步能够保证程序的可靠性,而异步可以提升程序的性能。小明自己去取书不管等着不等着迟早拿到书,指望小刚找到了送来,万一小刚忘了或者有急事忙别的了,那书就没了。

    讨论

      同步与异步、阻塞与非阻塞之间确实有很多相似的地方,很容易混淆。wiki更是把异步与非阻塞画上了等号,更多的人还是认为他们是不同的。原因可能有很多,每个人的知识背景不同,设定的上下文也不同。

      我的看法是:在IO中,根据上面同步异步的概念,也可以看出来同步与异步往往是通过阻塞非阻塞的形式来表达的,并且是通过一种中间处理机制来达到异步的效果。同步与异步往往是IO操作请求者和回应者之间在IO实际操作阶段的协作方式,而阻塞非阻塞更确切的说是一种自身状态,当前进程或者线程的状态。

      在发出IO读请求后,阻塞IO会一直等待有数据可读,当有数据可读时,会等待数据从内核拷贝至系统进程;而非阻塞IO都会立即返回。至于数据怎么处理是程序进程自己的事情,无关同步和异步。 

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