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五、AIO （ Asynchronous I/O）异步非阻塞I/O模型
一、基础概念
一、阻塞和非阻塞
当线程访问资源时，该资源是否准备就绪的一种处理方式。若线程访问时，资源未准备就绪，线程什么也不做，就一直等待着资源就绪，这种处理方法就叫阻塞。但如果资源是不一直等待该资源，而是去做其他事情，那就是非阻塞。
二、同步和的异步
同步和异步是访问数据的机制。
同步：
调用者一旦开始调用方法，则必须等待调用方法的结果返回后，才能去做其他事。
异步：
调用更像一个消息传递，调用一开始，方法调用马上就会返回，让调用者可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另外一个线程中，“真实”地执行着。整个过程，不会阻碍调用者的工作，异步方法完成后，再通知调用者。(一般用回调函数实现)
简单例子：
你去商城买东西，你看上了一款手机，能和店家说你一个这款手机，他就去仓库拿货，你得在店里等着，不能离开，这叫做同步。
现在你买手机赶时髦直接去京东下单，下单完成后你就可用做其他时间（追剧、打王者、lol）等货到了去签收就ok了.这就叫异步。
三、阻塞非阻塞和同步异步的结合
阻塞/非阻塞 和 同步/异步 的概念不同把它看作一样。
阻塞/非阻塞
：
关注的是程序(线程)等待消息通知时的状态。
同步/异步
：
关注的是消息通知的机制。
通过 阻塞/非阻塞 和 同步/异步结合，可以产生：
同步阻塞
、
同步非阻塞
、
异步阻塞
、
异步非阻塞
下面通过例子来具体说明：
同步阻塞：
小明一直盯着下载进度条，到100%的时候完成。
同步体现在：
小明关注下载进度条并等待完成通知。（可以看成同步是我主动关注任务完成的通知）
阻塞体现在：
在等待过程中，小明不去做别的东西。（可以看成异步是被动的，任务完成后再通知我）
同步非阻塞：
小明提交下载任务后，就去干别的事了，但每过一段时间就去瞄一眼进度条，看到100%就完成。
同步体现在：
小明关注下载进度条并等待完成通知。
非阻塞体现在：
等待下载完成通知过程中，去干别的任务了，只是时不时会瞄一眼进度条；【小明必须要在两个任务间切换，关注下载进度】
这种方式是效率低下的，因为程序需要在不同任务的线程中频繁切换。
异步阻塞：
小明换了个有下载完成通知功能的软件，下载完成就“叮”一声，
异步体现在：
小明不用时刻关注进度条，在下载完成后，消息通知机制是由“叮”一声去通知小明的。
阻塞体现在：
小明在等待“叮”的时候，不能去做其他事情。
异步非阻塞：
小明仍然使用那个下载完会“叮”一声的软件，小明在提交下载任务后，就不管了，转而去做其他事情。而当下载完成后，下载软件会通过“叮”去主动通知小明。
异步体现在：
小明不用时刻关注下载任务，而是让下载软件下载完成之后通过“叮”来通知他。
非阻塞体现在：
小明在下载过程中，并非什么都不做，而是去做其他事情了。【软件处理下载任务，小明处理其他任务，不需关注进度，只需接收软件“叮”声通知，即可】
二、BIO模型 (Blocking IO)同步阻塞IO
同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。这里使用那个经典的烧开水例子，这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是， 叫一个线程停留在一个水壶那，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。但是实际上线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。
实际应用如下图：
当调用系统调用read时，用户线程会一直阻塞到内核空间有数据到来为止，否则就一直阻塞。
举个栗子，发起一个blocking socket的read读操作系统调用，流程大概是这样：
（1）当用户线程调用了read系统调用，内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。很多时候，数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的Socket数据包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。
（2）当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。
（3）从开始IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。一直到kernel返回结果后，用户线程才解除block的状态，重新运行起来。
BIO特点
BIO优点：
程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。用户线程基本不会占用 CPU 资源。
BIO缺点：
一般情况下，服务端会为每个客户端连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上，BIO模型在高并发场景下是不可用的。
三、NIO模型（Non-blocking IO）
（注意这里说的NIO和Java库的NIO是有区别的，Java的NIO库表示的是New IO的意思。这里我们说的NIO是同步非阻塞IO）
那么什么叫做同步非阻塞？如果还拿烧开水来说，NIO的做法是叫一个线程不断的轮询每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。
在应用中，NIO是如何做到非阻塞地监控每个IO的呢？
NIO 模型中应用程序在一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：
（1）在内核缓冲区没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。
（2）在内核缓冲区有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，应用进程开始处理用户空间的缓存数据。
如下图：
多次调用不同socket的read，当内核缓冲区没有数据，则马上返回，直到第N次调用read，才发现内核空间有数据，然后才开始真正读数据
举个栗子。发起一个non-blocking socket的read读操作系统调用，流程是这个样子：
（1）在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。用户线程需要不断地发起IO系统调用。
（2）内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。
（3）用户线程才解除block的状态，重新运行起来。经过多次的尝试，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。
NIO特点：
NIO优点：
每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，则表示用户线程不用呆呆地等待数据到来，而是可以去干其他活了。
NIO缺点：
需要不断的重复发起IO系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。而且任务完成(处理到来数据)的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次 read 操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。
总之，
NIO模型在高并发场景下，也是不可用的。一般 Web 服务器不使用这种 IO 模型。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。java的实际开发中，也不会涉及这种IO模型。
再次说明，Java NIO（New IO） 不是IO模型中的NIO模型，而是另外的一种模型，叫做IO多路复用模型（ IO multiplexing ）。
四、IO多路复用模型
IO多路复用模型，就是通过一种新的系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符(如socket)，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核kernel能够通知程序进行相应的IO系统调用。
目前支持IO多路复用的系统调用，有 select，epoll等等。select系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都有支持，具有良好跨平台特性。epoll是在linux 2.6内核中提出的，是select系统调用的linux增强版本。而Java NIO库中的 selector 底层就是IO多用复用技术。
IO多路复用和NIO的区别
NIO需要在用户程序的循环语句中不停地检查各个socket是否有数据读入，而IO多路复用在用户程序层面则不需要循环语句，虽然IO多路复用也是轮询，但是IO多路复用是交给内核进行各个socket的监控的。其次，由于NIO多次调用read这种系统调用，因此会频繁造成用户态和内核态的转换，而IO多路复用则是先调用select这个系统调用去查询是否有数据就绪的socket，然后有数据就绪，才调用read这个系统调用来读。所以从性能上来说，IO多路复用会比NIO好。
在一定程度上来说，IO多路复用算是同步阻塞的一种，因为select会阻塞到有socket数据就绪为止。所以在应用上，一般会开一条程序来专门给select查询。
如下图为IO对路复用的过程：
（1）进行select/epoll系统调用，查询可以读的连接。kernel会查询所有select的可查询socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。
当用户进程调用了select，那么整个线程会被block（阻塞掉）。
（2）用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。
（3）用户线程才解除block的状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。
多路复用IO的特点
IO多路复用模型，建立在操作系统kernel内核能够提供的多路分离系统调用select/epoll基础之上的。多路复用IO需要用到两个系统调用（system call）， 一个select/epoll查询调用，一个是IO的读取调用。
和NIO模型相似，多路复用IO需要轮询。负责select/epoll查询调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，查找出可以进行IO操作的连接。
另外，多路复用IO模型与前面的NIO模型，是有关系的。对于每一个可以查询的socket，一般都设置成为non-blocking模型。只是这一点，对于用户程序是透明的（不感知。因为是在内核处理的）。
优点：
用select/epoll的优势在于，它可以同时处理成千上万个连接（connection）。与一条线程维护一个连接相比，I/O多路复用技术的最大优势是：系统不必创建线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。
缺点：
本质上，select/epoll系统调用，属于同步IO，也是阻塞IO。都需要在读写事件就绪后，自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
五、AIO （ Asynchronous I/O）异步非阻塞I/O模型
异步非阻塞I/O模型。异步非阻塞与同步非阻塞的区别在哪里？异步非阻塞无需一个线程去轮询所有IO操作的状态改变，在相应的状态改变后，系统会通知对应的线程来处理。对应到烧开水中就是，为每个水壶上面装了一个开关，水烧开之后，水壶会自动通知我水烧开了。
例子：如下图
（1）当用户线程调用了read系统调用，立刻就可以开始去做其它的事，用户线程不阻塞。
（2）内核（kernel）就开始了IO的第一个阶段：准备数据。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存）。
（3）kernel会给用户线程发送一个信号（signal），或者回调用户线程注册的回调接口，告诉用户线程read操作完成了。
（4）用户线程读取用户缓冲区的数据，完成后续的业务操作。
