阻塞式和非阻塞式IO

2023-05-15,

有很多人把阻塞认为是同步,把非阻塞认为是异步;个人认为这样是不准确的,当然从思想上可以这样类比,但方式是完全不同的,下面说说在JAVA里面阻塞IO和非阻塞IO的区别

在JDK1.4中引入了一个NIO的类库,使得Java涉及IO的操作拥有阻塞式和非阻塞式两种,问一下阻塞IO与非阻塞IO有什么区别?有什么优缺点?

在阻塞模式下,若从网络流中读取不到指定大小的数据量,阻塞IO就在那里阻塞着。比如,已知后面会有10个字节的数据发过来,但是我现在只收到8个字节,那么当前线程就在那傻傻地等到下一个字节的到来,对,就在那等着,啥事也不做,直到把这10个字节读取完,这才将阻塞放开通行。

在非阻塞模式下,若从网络流中读取不到指定大小的数据量,非阻塞IO就立即通行。比如,已知后面会有10个字节的数据发过来,但是我现在只收到8个字节,那么当前线程就读取这8个字节的数据,读完后就立即返回,等另外两个字节再来的时候再去读取。

从上面可以看出,阻塞IO在性能方面是很低下的,如果要使用阻塞IO完成一个Web服务器的话,那么对于每一个请求都必须启用一个线程进行处理。而使用非阻塞IO的话,一到两个线程基本上就够了,因为线程不会产生阻塞,好比一下接收A请求的数据,另一下接收B请求的数据,等等,就是不停地东奔西跑,直接到把数据接收完了。

虽然说,非阻塞IO比阻塞IO有更高的性能,但是对于开发来的,难度就成数倍递增了。由于是有多少数据就读取多少数据,这样在读取完整之前需要将已经读取到的数据保存起来,而且需要与其他地方来的数据隔离开来不能混在一起,否则就不知道这数据是谁的了,呵呵。

我们都知道TCP是面向连接的传输层协议,一个socket必定会有绑定一个连接,在普通的BIO(阻塞式IO)中,需要有三次握手,然后一般的socket编程就是这样的形式。

Socket服务器端流程如下:加载套接字->创建监听的套接字->绑定套接字->监听套接字->处理客户端相关请求。

Socket客户端同样需要先加载套接字,然后创建套接字,不过之后不用绑定和监听了,而是直接连接服务器,发送相关请求。

他们一直就占用这个连接,如果有信息发送,那么就响应,否则就一直阻塞着。如果有多连接,那么就要使用多线程,一个线程处理一个连接,在连接还少的情况下,是允许的,但如果同时处理的连接过多比如说1000,那么在win平台上就会遇到瓶颈了如果2000,那么在linux上就遇到瓶颈了,因为在不同的平台上每一个进程能够创建的线程数是有限度的,并且过多的线程必将会引起系统对线程调度的效率问题,再怎么也要保证线程优先队列,阻塞队列;假设一千个线程,一个线程最少一兆的栈大小,对内存也是一个很大的消耗。

总之阻塞式的IO是:一连接<一一一>一线程 

然后出现了NIO,在java1.4引入了java.nio包,java new I/O。引入了操作系统中常用的缓冲区和通道等概念。

缓冲区: 在操作系统中缓冲区是为了解决CPU的计算速度和外设输入输出速度不匹配的问题,因为外设太慢了,如果没有缓冲区,那么CPU在外设输入的时候就要一直等着,就会造成CPU处理效率的低下,引入了缓冲之后,外设直接把数据放到缓冲中,当数据传输完成之后,给CPU一个中断信号,通知CPU:“我的数据传完了,你自己从缓冲里面去取吧”。如果是输出也是一样的道理。

通道: 那么通道用来做什么呢?其实从他的名字就可以看出,它就是一条通道,您想传递出去的数据被放置在缓冲区中,然后缓冲区中怎么从哪里传输出去呢?或者外设怎么把数据传输到缓冲中呢?这里就要用到通道。它可以进一步的减少CPU的干预,同时更有效率的提高整个系统的资源利用率,例如当CPU要完成一组相关的读操作时,只需要向I/O通道发送一条指令,以给出其要执行的通道程序的首地址和要访问的设备,通道执行通道程序便可以完成CPU指定的I/O任务。

  选择器: 另外一项创新是选择器,当我们使用通道的时候也许通道没有准备好,或者有了新的请求过来,或者线程遇到了阻塞,而选择器恰恰可以帮助CPU了解到这些信息,但前提是将这个通道注册到了这个选择器。

下面一个例子是我看过的一个讲述的很贴切的例子:

一辆从 A 开往 B 的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?

1. 司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。 ( 类似阻塞式 )

2. 每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。 ( 类似非阻塞 )

很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是 CPU 。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,
以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客 ( 线程 ) 都在睡觉 ( 休眠 ) ,只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。

阻塞式和非阻塞式IO的相关教程结束。

《阻塞式和非阻塞式IO.doc》

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