Java Sockets I/O: 阻塞、非阻塞与异步(二)

文章译自 Aliaksandr Liakh 所写的《Java sockets I/O: blocking, non-blocking and asynchronous》^[1]。

译者注：

作为一个没学过操作系统知识而直接学编程的人，对于阻塞、非阻塞、异步的认知，总感觉隔着一层纱。自上次翻译过《Event Loop 解疑》后，它让我对异步的理解深入了一些，趁热打铁，再译一篇相关的主题。

文章比较长，将分为多篇展开。

上一篇，我们讲解了阻塞、非阻塞和异步的基本概念，这一篇继续介绍对应这些概念的几类常见的 I/O 模型。

I/O models

下面是兼容 POSIX 的操作系统中最常见的 I/O 模型：

blocking I/O model: 阻塞 I/O 模型
non-blocking I/O model: 非阻塞 I/O 模型
I/O multiplexing model: I/O 多路复用模型
signal-driven I/O model: 信号驱动 I/O 模型
asynchronous I/O model: 异步 I/O 模型

Blocking I/O model

在 阻塞 I/O 模型 中，应用程序发出一个会阻塞的系统调用(system call)，直到内核(kernel)接收到数据，并把数据从内核空间复制到用户空间。

优点：

实现起来最简单的 I/O 模型。

缺点：

应用会阻塞。

Non-blocking I/O model

在 非阻塞 I/O 模型 中，应用程序进行的系统调用会立即返回下面两个响应中的一个：

如果 I/O 操作可以立即完成，则返回数据。
如果 I/O 操作不能立即完成，则返回一个错误码，表示 I/O 操作会阻塞或设备暂时不可用。

为了完成 I/O 操作，应用程序应该忙于等待（busy wait，通过重复的系统调用不断轮询），直到数据可用。

优点：

应用不会被阻塞。

缺点：

由于应用程序要不断检查数据可用性，这将导致许多从用户态到内核态的上下文切换。
这种模式可能带来 I/O 延迟，因为从数据在内核中可用到数据被应用读取之间存在间隔。

I/O multiplexing model

在 I/O 多路复用模型 中（也称为带阻塞通知的非阻塞 I/O 模型，non-blocking I/O model with blocking notifications），应用程序发出一个阻塞的 select 系统调用，来监视多个描述符(descriptors)的活动。对于每个描述符，都可以请求获知某些 I/O 操作（连接、读或写、发生错误等）的准备情况。当 select 系统调用返回时，说明至少有一个描述符准备就绪了，应用程序接着执行非阻塞调用，将数据从内核空间复制到用户空间。

优点：

允许在一个线程中对多个描述符执行 I/O 操作。

缺点：

在进行 select 系统调用时，应用仍然是阻塞的。
不是每种操作系统都能高效地支持这种模式。

Signal-driven I/O model

在 信号驱动的I/O模型 中，应用程序进行非阻塞调用并注册一个信号处理程序。当一个描述符准备好进行 I/O 操作时，就会为应用程序生成一个信号，然后信号处理程序将数据从内核空间复制到用户空间。

优点：

应用不会被阻塞。
信号方式提供了较好的性能。

缺点：

并非所有操作系统都支持信号。

Asynchronous I/O model

在 异步 I/O 模型（也称为重叠 I/O 模型，overlapped I/O model）中，应用程序进行非阻塞调用，并在内核中启动一个后台操作(background operation)。当操作完成后（内核接收到数据，并将其复制到用户空间），会产生一个完成回调(completion callback )来结束 I/O 操作。

异步 I/O 模型 和 信号驱动 I/O 模型 的区别在于，在信号驱动 I/O 中，内核告诉应用程序何时可以启动 I/O 操作，但在异步 I/O 模型中，内核告诉应用程序 I/O 操作是何时完成的(两者将数据从内核空间复制到用户空间的时机不同)。

优点：

应用不会被阻塞。
该模型提供了最好的性能。

缺点：

是实现起来最复杂的 I/O 模型。
并非每种操作系统都能高效地支持这种模式。

译者提醒：上面的几类 I/O 模型，大家一定要多读几遍，彻底消化。

Java I/O APIS

有了对以上各类 I/O 模型的理解，接下来谈谈 Java 语言中是如何实现并使用它们的。

… 不要走开。

参考资料

[1]

Java sockets I/O: blocking, non-blocking and asynchronous: https://liakh-aliaksandr.medium.com/java-sockets-i-o-blocking-non-blocking-and-asynchronous-fb7f066e4ede

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