对网络 I/O 模型的同步、阻塞和异步、非阻塞的理解

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网络 I/O 模型

在套接字接口抽象下,网络 IO 的出入口就是 Socket 的读和写,Socket 在操作系统接口中被抽象为数据流。

网络访问从远程主机返回的数据会先放到操作系统内核缓冲区中,然后内核的缓冲区复制到应用程序的地址空间。

每次网络请求都会按顺序“数据从远程主机到达缓冲区”和“将数据从缓冲区复制到应用程序地址空间”这两个阶段吗,根据实现这两个阶段的的不同方法,将网络 IO 总结为两类、五种模型。两类:同步、异步,五种:阻塞、非阻塞、多路复用、信号和异步。

两类

同步:调用端发出请求后,得到结果前必须一致等待。

阻塞、非阻塞、多路复用和信号驱动都是同步型 I/O 模型。

异步:发出调用后,立即返回,不会马上得到处理结果。结果将通过状态变化和回调来通知调用者。

五种

阻塞 I/O(Blocking I/O)

线程以休眠的方式等待数据读取完成。

优点:直观、逻辑清晰,节省 CPU 资源。
缺点:不适合频繁运行,线程休眠会带来上下文切换。

在这里插入图片描述

非阻塞 I/O(Non-Blocking I/O)

线程以轮询的方式等待数据读取完成。

优点:节省上下文切换消耗。
缺点:能避免线程切换,不适合较长时间才能返回的 IO,CPU 空转轮询查询浪费资源。

在这里插入图片描述

I/O 多路复用(Multiplexing I/O)

线程以阻塞的方式等待数据读取完成,可以摘同一条阻塞线程上处理不同端口的监听。

优点:一定程度上节省上下文切换消耗、避免 CPU 轮询空转。
缺点:仍是同步型 I/O,需要处理数据拷贝。

在这里插入图片描述

信号驱动 I/O(Signal-Driven I/O)

线程接收到信号通知时去系统内核读取数据到应用程序内存地址。

优点:一定程度上节省上下文切换消耗、避免 CPU 轮询空转。
缺点:仍是同步型 I/O,需要处理数据拷贝。

在这里插入图片描述

异步 I/O(asynchronous IO)

数据到操作系统达缓冲区后,直接将数据拷贝到调用进程缓冲区,由操作系统向线程发送信号。

优点:非阻塞。应用程序接收到信号后直接在自己的缓存地址中读取数据,无需拷贝。
缺点:需要操作系统支持。

在这里插入图片描述

Java中的I/O

Java中的IO其实就是对操作系统提供的IO模型的封装。

BIO

对Socket、blocking I/O的封装。

NIO

对Buffer、Socket、IO multiplexing的封装。

AIO

Linux:使用JDK 采用了自建线程池的方式进行的伪实现。
Windows:JDK 直接采用了 IOCP 的支持,操作系统负责管理线程池,实现了真正的Java异步I/O。

应用

Zuul 1.0

采用阻塞 IO 模型,一条线程对应一个连接的方式来代理流量。
适合:计算密集型服务,服务耗时长,主要消耗在 CPU 上,相对节省 CPU 资源。
不适合:IO 密集型服务,频繁的上下文切换导致性能降低。

Zuul 2.0

基于 Netty Server 实现了异步 I/O 模型来处理请求,大幅降低子线程数,获得了更高的性能和更低的延迟。

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