最近越來越認(rèn)為，在講解技術(shù)相關(guān)問題時(shí)，大白話固然很重要，通俗易懂，讓人有想讀下去的欲望。但幾乎所有的事，都有兩面性，在看到其帶來好處時(shí)，不妨想想是否也引入了不好的地方。

例如在博客中，過于大白話的語言的確會(huì)讓你閱讀起來更加順暢，也更容易理解。但這都是其他人理解，已經(jīng)咀嚼過了的，人家是已經(jīng)完全理解了，你從這些信息中大概可能會(huì)觀察不到全貌。所以，適當(dāng)?shù)陌自捠呛芎玫?，但這個(gè)度得控制一下。

接下來切入正文。

相信大家經(jīng)?？吹竭@個(gè)問題：

BIO、NIO 和 AIO 有什么區(qū)別?

看到這個(gè)問題，可能你腦海中就會(huì)浮現(xiàn)以下這些字眼。比如 BIO 就是如果從內(nèi)核獲取數(shù)據(jù)會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢返回。再比如 NIO，內(nèi)核在數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好時(shí)不會(huì)阻塞住，調(diào)用程序會(huì)一直詢問內(nèi)核數(shù)據(jù)是否 Ready。

雖然是正確的，字?jǐn)?shù)也很少。但是這樣一來，你看這些概念就不是理解，而是背誦了。其實(shí) BIO 和 NIO 這類的名詞還有一個(gè)共同的名字叫——IO模型，總共有:

IO 模型

由于信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO 在實(shí)際中不常用，我們主要講以下四種模型：

1. 同步阻塞
2. 同步非阻塞
3. IO 多路復(fù)用
4. 異步 IO

這里還是通過例子來理解這 4 種 IO 模型：

假設(shè)此時(shí)客戶端正在發(fā)送一些數(shù)據(jù)到服務(wù)器，并且數(shù)據(jù)已經(jīng)通過客戶端的協(xié)議棧、網(wǎng)卡，陸陸續(xù)續(xù)的到達(dá)了服務(wù)器這邊的內(nèi)核態(tài) Buffer 中了。

不清楚用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)區(qū)別的可以看看《簡單聊聊用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別》

對數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中是如何傳輸?shù)募?xì)節(jié)感興趣的，可以去看看我之前寫的文章 《請求數(shù)據(jù)包從發(fā)送到接收，都經(jīng)歷了什么?》。

同步阻塞 BIO

我們需要知道，內(nèi)核在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候其實(shí)是分成了兩個(gè)階段：

• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
• 數(shù)據(jù)復(fù)制

在網(wǎng)絡(luò) IO 中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可能是客戶端還有部分?jǐn)?shù)據(jù)還沒有發(fā)送、或者正在發(fā)送的途中，當(dāng)前內(nèi)核 Buffer 中的數(shù)據(jù)并不完整;而數(shù)據(jù)復(fù)制則是將內(nèi)核態(tài) Buffer 中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶態(tài)的 Buffer 中去。

當(dāng)調(diào)用線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，如果此時(shí)內(nèi)核數(shù)據(jù)還沒有 Ready，調(diào)用線程會(huì)阻塞住，等待內(nèi)核 Buffer 的數(shù)據(jù)。內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒之后，會(huì)將內(nèi)核態(tài) Buffer 的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶態(tài) Buffer 中，這個(gè)過程中調(diào)用線程仍然是阻塞的，直到數(shù)據(jù)復(fù)制完成，整個(gè)流程用圖來表示就張這樣：

同步非阻塞 NIO

相信大家知道 Java 中有個(gè)包叫 nio，但那跟我們現(xiàn)在正在討論的 NIO 不是同一個(gè)概念。

現(xiàn)在正在討論的是 Non-Blocking IO，代表同步非阻塞，是一種基礎(chǔ)的 IO 模型。而 nio 包則是 New IO，里面的 IO 模型實(shí)際上是 IO多路復(fù)用，大家不要搞混淆了。

有了 BIO 的基礎(chǔ)，這次我們直接來看圖：

NIO

還是分為兩個(gè)階段來討論。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段。此時(shí)用戶線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用，此時(shí)內(nèi)核會(huì)立即返回一個(gè)錯(cuò)誤，告訴用戶態(tài)數(shù)據(jù)還沒有 Read，然后用戶線程不停地發(fā)起請求，詢問內(nèi)核當(dāng)前數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)復(fù)制階段。此時(shí)用戶線程還在不斷的發(fā)起請求，但是當(dāng)數(shù)據(jù) Ready 之后，用戶線程就會(huì)陷入阻塞，直到數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)復(fù)制到用戶態(tài)。

稍微總結(jié)一下，如果內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)沒有 Ready，用戶線程不會(huì)阻塞;但是如果內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù) Ready 了，即使當(dāng)前的 IO 模型是同步非阻塞，用戶線程仍然會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)復(fù)制完成，并不是絕對的非阻塞。

那 NIO 的好處是啥呢?顯而易見，實(shí)時(shí)性好，內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)沒有 Ready 會(huì)立即返回。但是事情的兩面性就來了，頻繁的輪詢內(nèi)核，會(huì)占用大量的 CPU 資源，降低效率。

IO 多路復(fù)用

IO 多路復(fù)用實(shí)際上就解決了 NIO 中的頻繁輪詢 CPU 的問題。在之前的 BIO 和 NIO 中只涉及到一種系統(tǒng)調(diào)用——read，在 IO 多路復(fù)用中要引入新的系統(tǒng)調(diào)用——select。

read 用于讀取內(nèi)核態(tài) Buffer 中的數(shù)據(jù)，而 select 你可以理解成 MySQL 中的同名關(guān)鍵字，用于查詢 IO 的就緒狀態(tài)。

在 NIO 中，內(nèi)核態(tài)數(shù)據(jù)沒有 Ready 會(huì)導(dǎo)致用戶線程不停的輪詢，從而拉滿 CPU。而在 IO 多路復(fù)用中調(diào)用了 select 之后，只要數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，用戶線程就會(huì)阻塞住，避免了頻繁的輪詢當(dāng)前的 IO 狀態(tài)，用圖來表示的話是這樣：

IO 多路復(fù)用

異步 AIO

該模型的實(shí)現(xiàn)就如其名，是異步的。用戶線程發(fā)起 read 系統(tǒng)調(diào)用之后，無論內(nèi)核 Buffer 數(shù)據(jù)是否 Ready，都不會(huì)阻塞，而是立即返回。

內(nèi)核在收到請求之后，會(huì)開始準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好了&復(fù)制完成之后會(huì)由內(nèi)核發(fā)送一個(gè) Signal 給用戶線程，或者回調(diào)用戶線程注冊的接口進(jìn)行通知。用戶線程收到通知之后就可以去讀取用戶態(tài) Buffer 的數(shù)據(jù)了。

AIO

由于這種實(shí)現(xiàn)方式，異步 IO 有時(shí)也被叫做信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO。相信你也發(fā)現(xiàn)了，這種方式最重要的是需要 OS 的支持，如果 OS 不支持就直接完蛋。

Linux 系統(tǒng)在 2.6 版本的時(shí)候才引入了異步IO，不過那個(gè)時(shí)候并不算真正的異步 IO，因?yàn)閮?nèi)核并不支持，底層其實(shí)是通過 IO 多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)的。而到了 Linux 5.1 時(shí)，才通過 io_uring 實(shí)現(xiàn)了真 AIO。

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