阻塞I/O、非阻塞I/O和I/O多路复用、怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？

“阻塞”与"非阻塞"与"同步"与“异步"不能简单的从字面理解，提供一个从分布式系统角度的回答。
1.同步与异步
　　同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)
　　所谓同步，就是在发出一个*调用*时，在没有得到结果之前，该*调用*就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。
　　换句话说，就是由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。

　　而异步则是相反，*调用*在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发出后，*被调用者*通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

　　典型的异步编程模型比如Node.js

举个通俗的例子：
　　你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，”我查一下"，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。
而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下啊，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。

2. 阻塞与非阻塞
　　阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

　　阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
　　非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

还是上面的例子，
　　你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己“挂起”，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边去玩了，当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。
　　在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

阻塞与非阻塞指的的是当不能进行读写（网卡满时的写/网卡空的时候的读）的时候，I/O操作立即返回还是阻塞；
同步异步指的是，当数据已经ready的时候，读写操作是同步读还是异步读，阶段不同而已。

阻塞I/O、非阻塞I/O和I/O多路复用

一、阻塞I/O

　　首先，要从你常用的IO操作谈起，比如read和write，通常IO操作都是阻塞I/O的，也就是说当你调用read时，如果没有数据收到，那么线程或者进程就会被挂起，直到收到数据。阻塞的意思，就是一直等着。阻塞I/O就是等着数据过来，进行读写操作。应用的函数进行调用，但是内核一直没有返回，就一直等着。应用的函数长时间处于等待结果的状态，我们就称为阻塞I/O。每个应用都得等着，每个应用都在等着，浪费啊！很像现实中的情况。大家都不干活，等着数据过来，过来工作一下，没有的话继续等着。

二、非阻塞I/O

　　非阻塞IO很简单，通过fcntl（POSIX）或ioctl（Unix）设为非阻塞模式，这时，当你调用read时，如果有数据收到，就返回数据，如果没有数据收到，就立刻返回一个错误，如EWOULDBLOCK。这样是不会阻塞线程了，但是你还是要不断的轮询来读取或写入。相当于你去查看有没有数据，告诉你没有，过一会再来吧！应用过一会再来问，有没有数据？没有数据，会有一个返回。但是依旧很不好。应用必须得过一会来一下，问问内核有木有数据啊。这和现实很像啊！好多情况都得去某些地方问问好了没有？木有，明天再过来。明天，好了木有？木有，后天再过来。。。。。忙碌的应用。。。。

三、I/O多路复用

　　多路复用是指使用一个线程来检查多个文件描述符（Socket）的就绪状态，比如调用select和poll函数，传入多个文件描述符（FileDescription，简称FD），如果有一个文件描述符（FileDescription）就绪，则返回，否则阻塞直到超时。得到就绪状态后进行真正的操作可以在同一个线程里执行，也可以启动线程执行（比如使用线程池）。虾米意思？就是派一个代表，同时监听多个文件描述符是否有数据到来。等着等着，如有有数据，就告诉某某你的数据来啦！赶紧来处理吧。有没有很感动，一个人待着，帮了很多人。医院的黄牛，一个人排队，大家只要把钱给它，它就会把号给需要的人，开个玩笑。。。。

Redis，Nginx，Netty为什么这么香？

Redis，Nginx，Netty，Node.js 为什么这么香？这些技术都是伴随 Linux 内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。今天我们从操作系统层面理解 Linux 下的网络 IO 模型！

I/O（ INPUT/OUTPUT），包括文件 I/O、网络 I/O。计算机世界里的速度鄙视：

内存读数据：纳秒级别。
千兆网卡读数据：微妙级别。1 微秒= 1000 纳秒，网卡比内存慢了千倍。
磁盘读数据：毫秒级别。1 毫秒=10 万纳秒，硬盘比内存慢了 10 万倍。
CPU 一个时钟周期 1 纳秒上下，内存算是比较接近 CPU 的，其他都等不起。

CPU 处理数据的速度远大于 I/O 准备数据的速度。任何编程语言都会遇到这种 CPU 处理速度和 I/O 速度不匹配的问题！

在网络编程中如何进行网络 I/O 优化？怎么高效地利用 CPU 进行网络数据处理？

同步阻塞：点火后，傻等，不等到水开坚决不干任何事（阻塞），水开了关火（同步）。

同步非阻塞：点火后，去看电视（非阻塞），时不时看水开了没有，水开后关火（同步）。

异步阻塞：按下开关后，傻等水开（阻塞），水开后自动断电（异步）。

网络编程中不存在的模型。

异步非阻塞：按下开关后，该干嘛干嘛（非阻塞），水开后自动断电（异步）。

内核空间、用户空间

内核空间、用户空间如上图：

内核负责网络和文件数据的读写。
用户程序通过系统调用获得网络和文件的数据。

内核态、用户态如上图：

程序为读写数据不得不发生系统调用。
通过系统调用接口，线程从用户态切换到内核态，内核读写数据后，再切换回来。
进程或线程的不同空间状态。

线程的切换如上图，用户态和内核态的切换耗时，费资源（内存、CPU）。

优化建议：

更少的切换。
共享空间。

套接字：Socket

套接字作用如下：

有了套接字，才可以进行网络编程。
应用程序通过系统调用 socket()，建立连接，接收和发送数据（I/O）。
Socket 支持了非阻塞，应用程序才能非阻塞调用，支持了异步，应用程序才能异步调用。

文件描述符：FD 句柄

网络编程都需要知道 FD？？？FD 是个什么鬼？？？Linux：万物都是文件，FD 就是文件的引用。

像不像 Java 中万物都是对象？程序中操作的是对象的引用。Java 中创建对象的个数有内存的限制，同样 FD 的个数也是有限制的。

Linux 在处理文件和网络连接时，都需要打开和关闭 FD。

每个进程都会有默认的 FD：

0 标准输入 stdin
1 标准输出 stdout
2 错误输出 stderr

服务端处理网络请求的过程

服务端处理网络请求的过程如上图：

连接建立后。
等待数据准备好（CPU 闲置）。
将数据从内核拷贝到进程中（CPU 闲置）。

怎么优化呢？对于一次 I/O 访问（以 read 举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所以说，当一个 read 操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。
将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

正是因为这两个阶段，Linux 系统升级迭代中出现了下面三种网络模式的解决方案。

I/O 模型

阻塞 I/O：Blocking I/O

简介：最原始的网络 I/O 模型。进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。

缺点：高并发时，服务端与客户端对等连接。

线程多带来的问题：

CPU 资源浪费，上下文切换。
内存成本几何上升，JVM 一个线程的成本约 1MB。

public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocket ss = new ServerSocket();

        ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));

        int idx =0;

        while (true) {

            final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法

            new Thread(() -> {

                handle(socket);

            },"线程["+idx+"]" ).start();

        }

    }

    static void handle(Socket socket) {

        byte[] bytes = new byte[1024];

        try {

            String serverMsg = "  server sss[ 线程："+ Thread.currentThread().getName() +"]";

            socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法

            socket.getOutputStream().flush();

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

非阻塞 I/O：Non Blocking IO

简介：进程反复系统调用，并马上返回结果。

缺点：当进程有 1000fds，代表用户进程轮询发生系统调用 1000 次 kernel，来回的用户态和内核态的切换，成本几何上升。

public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open();

        ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));

        System.out.println(" NIO server started ... ");

        ss.configureBlocking(false);

        int idx =0;

        while (true) {

            final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法

            new Thread(() -> {

                handle(socket);

            },"线程["+idx+"]" ).start();

        }

    }

    static void handle(SocketChannel socket) {

        try {

            socket.configureBlocking(false);

            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            socket.read(byteBuffer);

            byteBuffer.flip();

            System.out.println("请求：" + new String(byteBuffer.array()));

            String resp = "服务器响应";

            byteBuffer.get(resp.getBytes());

            socket.write(byteBuffer);

        } catch (IOException e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

I/O 多路复用：IO multiplexing

简介：单个线程就可以同时处理多个网络连接。内核负责轮询所有 Socket，当某个 Socket 有数据到达了，就通知用户进程。

多路复用在 Linux 内核代码迭代过程中依次支持了三种调用，即 Select、Poll、Epoll 三种多路复用的网络 I/O 模型。下文将画图结合 Java 代码解释。

①I/O 多路复用：Select

简介：有连接请求抵达了再检查处理。

缺点如下：

句柄上限：默认打开的 FD 有限制，1024 个。
重复初始化：每次调用 select()，需要把 FD 集合从用户态拷贝到内核态，内核进行遍历。
逐个排查所有 FD 状态效率不高。

服务端的 Select 就像一块布满插口的插排，Client 端的连接连上其中一个插口，建立了一个通道，然后再在通道依次注册读写事件。

一个就绪、读或写事件处理时一定记得删除，要不下次还能处理。

public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket

        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));

        ssc.configureBlocking(false);//设置非阻塞

        System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress());

        Selector selector = Selector.open();

        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注册关心的事件 就绪

        while(true) {

            selector.select();

            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();

            while(it.hasNext()) {

                SelectionKey key = it.next();

                it.remove();//处理的事件，必须删除

                handle(key);

            }

        }

    }

    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {

        if(key.isAcceptable()) {

                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();

                SocketChannel sc = ssc.accept();

                sc.configureBlocking(false);//设置非阻塞

                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注册关心的事件 可读

        } else if (key.isReadable()) { //flip

            SocketChannel sc = null;

                sc = (SocketChannel)key.channel();

                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);

                buffer.clear();

                int len = sc.read(buffer);

                if(len != -1) {

                    System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len));

                }

                ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());

                sc.write(bufferToWrite);

        }

    }

②I/O 多路复用：Poll

简介：设计新的数据结构(链表)提供使用效率。

Poll 和 Select 相比在本质上变化不大，只是 Poll 没有了 Select 方式的最大文件描述符数量的限制。

缺点：逐个排查所有 FD 状态效率不高。

③I/O 多路复用：Epoll

简介：没有 FD 个数限制，用户态拷贝到内核态只需要一次，使用事件通知机制来触发。

通过 epoll_ctl 注册 FD，一旦 FD 就绪就会通过 Callback 回调机制来激活对应 FD，进行相关的 I/O 操作。

缺点如下：

跨平台，Linux 支持最好。
底层实现复杂。
同步。

public static void main(String[] args) throws Exception {

        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()

                .bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

            @Override

            public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {

                serverChannel.accept(null, this);

                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {

                    @Override

                    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {

                        attachment.flip();

                        client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//业务逻辑

                    }

                    @Override

                    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {

                        System.out.println(exc.getMessage());//失败处理

                    }

                });

            }

            @Override

            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {

                exc.printStackTrace();//失败处理

            }

        });

        while (true) {

            //不while true main方法一瞬间结束

        }

    }

当然上面的缺点相比较它的优点都可以忽略。JDK 提供了异步方式实现，但在实际的 Linux 环境中底层还是 Epoll，只不过多了一层循环，不算真正的异步非阻塞。

而且就像上图中代码调用，处理网络连接的代码和业务代码解耦得不够好。

Netty 提供了简洁、解耦、结构清晰的 API。

public static void main(String[] args) {

        new NettyServer().serverStart();

        System.out.println("Netty server started !");

    }

    public void serverStart() {

        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();

        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

        b.group(bossGroup, workerGroup)

                .channel(NioServerSocketChannel.class)

                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {

                    @Override

                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                        ch.pipeline().addLast(new Handler());

                    }

                });

        try {

            ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync();

            f.channel().closeFuture().sync();

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        } finally {

            workerGroup.shutdownGracefully();

            bossGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

}

class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override

    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;

        ctx.writeAndFlush(msg);

        ctx.close();

    }

    @Override

    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {

        cause.printStackTrace();

        ctx.close();

    }

}

bossGroup 处理网络请求的大管家（们），网络连接就绪时，交给 workGroup 干活的工人（们）。

总结

回顾上文总结如下：

同步/异步，连接建立后，用户程序读写时，如果最终还是需要用户程序来调用系统 read() 来读数据，那就是同步的，反之是异步。Windows 实现了真正的异步，内核代码甚为复杂，但对用户程序来说是透明的。
阻塞/非阻塞，连接建立后，用户程序在等待可读可写时，是不是可以干别的事儿。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多数操作系统都支持的。

Redis，Nginx，Netty，Node.js 为什么这么香？这些技术都是伴随 Linux 内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。

了解计算机底层的知识才能更深刻地理解 I/O，知其然，更要知其所以然。与君共勉！

　　《漫话：如何给女朋友解释什么是Linux的五种IO模型？》