IO模型和NIO、BIO、AIO和reactor模型

目录标题

• 五种IO模型
• • 阻塞
  • 非阻塞
  • 多路复用
  • 信号量
  • 异步
• NIO、BIO、AIO
• reactor模型
• • 单线程
  • 多线程
  • 主从多线程

发现有时经常搞混BIO和reactor模型的关系。这里记录下。

五种IO模型

阻塞

线程A发起了IO请求，当数据没有返回时，线程A一直被阻塞。

非阻塞

线程A发起了IO请求，当数据没有返回时，可以先返回一个标识，告诉线程A此时没有数据。线程A要想拿到真正的数据，要么就是循环去获得 或者 再开一个线程去监听。

伪代码如下

	while(recfrom() == false) { // 循环等待
	}
	或者
	new Thread(() -> {
		while(recfrom() == false) { // 循环等待
		}
		// 获取数据后，从当前线程传递给A线程
	}).start()

多路复用

就是大名鼎鼎的selector。我们可以用一个线程去管理selector，其他多个进程的I/O都注册到selector上面。当selector监听到有事件发生时，就去通知对应的进程去处理。用Selector的优势在于它可以同时处理多个连接，所以如果处理的连接数不是很多，使用select/epoll的Web Server不一定比使用多线程加阻塞I/O的Web Server性能更好，可能延迟还更大，select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是能处理更多的连接

伪代码：

	// 多个进程IO都注册到selector上面。
	while(true) {
		event = select(); // selector线程阻塞监听多个文件描述符
		from 0 to envent : 
			通知对该事件感兴趣的进程;
	}

信号量

涉及用户进程和内核。以对话形式展开：

用户进程：等你有数据了告诉我哈。（于是用户进程就可以处理其他事情）

内核：有数据了

用户进程：哎呀有数据了，那我把数据从 内核态拷贝到用户态吧。（然后用户进程就得到了数据）

实际中使用的较少。

异步

信号量IO是内核告诉我们何时启动IO操作，然后具体的操作由用户来完成

异步IO是内核告诉我们IO操作何时完成。

NIO、BIO、AIO

特指IO在java的技术演进。

BIO对应阻塞IO，NIO对应多路复用IO，AIO对应真正的异步IO。

分别对应java.io包、java.nio包下面的Selector、java.nio包下的AsynchronousServerSocketChannel

reactor模型

是一种设计思想，是一种架构。

Reactor是这样一种模式：它要求主线程只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话就立刻将该事件通知给工作线程，除此之外，主线程不做任何实质性的工作。

Proactor模式将所有的I/O操作都交给主线程和内核来处理，工作线程仅仅负责业务逻辑。

比如Netty就用java NIO实现了reactor模型。下面就用此列来讲。

单线程

顾名思义，客户端使用一个线程来收发消息。服务端也用一个线程来处理消息。

服务端的单线程既与客户端建立连接，又去监听各种事件。

对于并发量较小的业务场景，可以使用单线程模型。但单线程模型不适用于高负载、高并发的场景，

主要原因如下。

（1）一个NIO线程如果同时处理成百上千的链路，则机器在性能上无法满足，即便是NIO线程的CPU负载达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送。

（2）如果NIO线程负载过重，那么处理速度将变慢，从而导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，NIO线程就会成为系统的性能瓶颈。

（3）一旦NIO线程发生意外或者进入死循环状态，就会导致整个系统通信模块不可用，从而不能接收和处理外部消息，造成节点故障。

多线程

有一个专门的NIO线程Acceptor用于监听服务端、接收客户端的TCP连接请求。

网络I/O的读、写等操作由一个NIO线程池负责，它包含一个任务队列和多个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送。池子里面一个NIO线程都包含一个select。

在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求。但是，在极特殊的应用场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接也可能会存在性能问题。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证，认证本身消耗性能很大。在这类场景下，单个Acceptor线程可能会存在性能不足的问题，为了解决性能问题，就出现了主从Reactor多线程模型。

主从多线程

即把之前的单线程acceptor，改用线程池。

netty推荐这种用法。实际中，我们对于业务处理，都要单独的再开一个业务处理线程池（也可以对每个小业务 或者 不同的操作划分不同的线程池）。总之就是为了避免阻塞宝贵的IO线程。

本文作者：WKP9418

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