IO模型

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IO模型

jephon 2016-07-18 10:37:00 浏览404
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IO的理解

IO操作的两个阶段:

  第一个阶段:  查看数据是否就绪;

  第二个阶段:  进行数据拷贝(内核将数据拷贝到用户线程)。

 

同步IO:当用户线程发出IO请求操作之后,如果数据没有就绪,需要通过用户线程或者内核不断地去轮询数据是否就绪,当数据就绪时,再将数据从内核拷贝到用户线程;

异步IO:只有IO请求操作的发出是由用户线程来进行的,IO操作的两个阶段都是由内核自动完成,然后发送通知告知用户线程IO操作已经完成。也就是说在异步IO中,不会对用户线程产生任何阻塞。

阻塞IO:当用户线程发起一个IO请求操作,内核会去查看要读取的数据是否就绪,如果数据没有就绪,则会一直在那等待,直到数据就绪,当数据就绪之后,便将数据拷贝到用户线程。

非阻塞IO:当用户线程发起一个IO请求操作,内核会去查看要读取的数据是否就绪,如果数据没有就绪,如果数据没有就绪,则会返回一个标志信息告知用户线程当前要读的数据没有就绪。

阻塞(blocking IO)和非阻塞(non-blocking IO)的区别就在于第一个阶段,如果数据没有就绪,在查看数据是否就绪的过程中是一直等待,还是直接返回一个标志信息。

Java中传统的IO都是阻塞IO,比如通过socket来读数据,调用read()方法之后,如果数据没有就绪,当前线程就会一直阻塞在read方法调用那里,直到有数据才返回;而如果是非阻塞IO的话,当数据没有就绪,read()方法应该返回一个标志信息,告知当前线程数据没有就绪,而不是一直在那里等待。

同步IO和异步IO是针对用户线程和内核的交互来说的,异步IO模型是最理想的IO模型,在异步IO模型中,当用户线程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从内核的角度,当它受到一个asynchronous read之后,它会立刻返回,说明read请求已经成功发起了,因此不会对用户线程产生任何block。然后,内核会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户线程,当这一切都完成之后(其他很多都只是数据准备好了通知(内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞),异步IO是数据拷贝也完成后通知,这就在数据拷贝到用户线程的过程中用户线程是不用等待的--不阻塞,直接可以拿数据用。),内核会给用户线程发送一个信号,告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个IO操作是如何进行的,只需要先发起一个请求,当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成,可以直接去使用数据了。也就说在异步IO模型中,IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程,这两个阶段都是由内核自动完成,然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。(注意,异步IO是需要操作系统的底层支持,在Java 7中,提供了Asynchronous IO。)

IO模型列表

1.阻塞IO模型

  最传统的一种IO模型,即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

  当用户线程发出IO请求之后,内核会去查看数据是否就绪,如果没有就绪就会等待数据就绪,而用户线程就会处于阻塞状态,用户线程交出CPU。当数据就绪之后,内核会将数据拷贝到用户线程,并返回结果给用户线程,用户线程才解除block状态。

  典型的阻塞IO模型的例子为:
  data = socket.read();
  如果数据没有就绪,就会一直阻塞在read方法。

2.非阻塞IO模型

  当用户线程发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了,并且又再次收到了用户线程的请求,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。

  所以事实上,在非阻塞IO模型中,用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU。

  典型的非阻塞IO模型一般如下:

  while(true){
    data = socket.read();
    if(data!= error){
      //TODO 处理数据
      break;
    }
  }
但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题,在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU占用率非常高,因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

3.多路复用IO模型

  多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。

  在多路复用IO模型中,会有一个线程不断去轮询多个socket的状态,只有当socket真正有读写事件时,才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中,只需要使用一个线程就可以管理多个socket,系统不需要建立新的进程或者线程,也不必维护这些线程和进程,并且只有在真正有socket读写事件进行时,才会使用IO资源,所以它大大减少了资源占用。

  在Java NIO中,是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件,如果没有事件,则一直阻塞在那里,因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

  多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的,而在多路复用IO中,轮询每个socket状态是内核在进行的,这个效率要比用户线程要高的多。

  不过要注意的是,多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达,并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说,一旦事件响应体很大,那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理,并且会影响新的事件轮询

4.信号驱动IO模型

  在信号驱动IO模型中,当用户线程发起一个IO请求操作,会给对应的socket注册一个信号函数,然后用户线程会继续执行,当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程,用户线程接收到信号之后,便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作

 

IO的设计模式

多线程:

  对于多线程模式,也就说来了client,服务器就会新建一个线程来处理该client的读写事件,如下图所示:

  这种模式虽然处理起来简单方便,但是由于服务器为每个client的连接都采用一个线程去处理,使得资源占用非常大。因此,当连接数量达到上限时,再有用户请求连接,直接会导致资源瓶颈,严重的可能会直接导致服务器崩溃。

 

线程池:

  因此,为了解决这种一个线程对应一个客户端模式带来的问题,提出了采用线程池的方式,也就说创建一个固定大小的线程池,来一个客户端,就从线程池取一个空闲线程来处理,当客户端处理完读写操作之后,就交出对线程的占用。因此这样就避免为每一个客户端都要创建线程带来的资源浪费,使得线程可以重用。

  但是线程池也有它的弊端,如果连接大多是长连接,因此可能会导致在一段时间内,线程池中的线程都被占用,那么当再有用户请求连接时,由于没有可用的空闲线程来处理,就会导致客户端连接失败,从而影响用户体验。因此,线程池比较适合大量的短连接应用。

 

Reactor:

  在Reactor模式中,会先对每个client注册感兴趣的事件,然后有一个线程专门去轮询每个client是否有事件发生,当有事件发生时,便顺序处理每个事件,当所有事件处理完之后(为了提高事件处理速度,可以通过多线程或者线程池的方式来处理事件。),便再转去继续轮询,可以得知,多路复用IO就是采用Reactor模式。

 

Proactor: 

  在Proactor模式中,当检测到有事件发生时,会新起一个异步操作,然后交由内核线程去处理,当内核线程完成IO操作之后,发送一个通知告知操作已完成,可以得知,异步IO模型采用的就是Proactor模式。

 

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