基于消息实现系统间的通信（BIO，NIO，AIO）学习。

基于消息的方式实现系统间的通信

当系统之间要通信时，就向外发送消息，消息可以是字节流，字节数组，甚至是java对象，其他系统接受消息后，则进行相应的业务处理。

消息方式的系统间通信，通常基于网络协议来实现，常用的实现系统间的通信协议有：TCP/IP 和UDP/IP。

TCP/IP是一种可靠的网络数据传输协议。TCP/IP要求通信双方首先建立连接（通过三次握手协议），之后再进行数据的传输。TCP/IP保证数据传输的可靠性，包括数据的可到达，数据到达的顺序等，如何保证呢？涉及到TCP报文格式，滑动窗口方式的传输，超时重传，选择确认等计算机网络知识。

UDP/IP是一种不保证数据一点到达的网络数据传输协议。UDP/IP并不直接给通信的双方建立连接，而是发送到网络上进行传递。由于UDP不建立连接，并且不能保证数据传输的可靠，性能表现相当较好，但可能出现数据丢失以及数据乱序的现象。

TCP/IP可以用于完成系统间数据的传输，但是，要完成系统间的通信，还需要对数据进行处理。比如读取和写入数据，按照POSIX标准，分为同步IO和异步IO，其中同步IO中最常用的是BIO（Blocking IO）和NIO（Non-Blocking IO），参考博客（http://19880512.blog.51cto.com/936364/381722，http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/4270633

http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378）。

BIO同步阻塞IO

从程序上来说，就是当发起IO的读/写的操作时，均为阻塞方式，只有当读到了流或将流写入操作系统后，才会释放资源。

在这个模型中，用户级别的应用程序执行一个系统调用，这会导致应用程序阻塞。这意味着应用程序会一直阻塞，直到系统调用完成为止（数据传输完成或发 生错误）。调用应用程序处于一种不再消费 CPU 而只是简单等待响应的状态。

以read位例，应用程序（application）为了执行这个read操作，会调用相应的一个system call，将系统控制权交给kernel，然后就进行等待（这其实就是被阻塞了）。kernel开始执行这个system call，执行完毕后会向应用程序返回响应，应用程序得到响应后，就不再阻塞，并进行后面的工作。

如上图，“在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。”

同步非阻塞IO （NIO）

NIO是基于事件驱动思想的，实现上通常采用Reactor（http://en.wikipedia.org/wiki/Reactor_pattern）模式，从程序角度而言，当发起IO的读或写操作时，是非阻塞的；当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。对于网络IO而言，主要有连接建立、流读取及流写入三种事件、linux2.6以后的版本使用epoll（http://lse.sourceforge.net/epoll/index.html）方式实现NIO。

select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。
这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO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，而是在于能处理更多的连接。）
在IOmultiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

AIO，异步IO方式

AIO为异步IO方式，同样基于事件驱动思想，实现上通常采用Proactor模式（http://en.wikipedia.org/wiki/Proactor_pattern）

从程序的角度而言，与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。较之NIO而言，AIO一方面简化了程序出的编写，流的读取和写入都由操作系统来代替完成；另一方面省去了NIO中程序要遍历事件通知队列（selector）的代价。Windows基于IOCP（http://en.wikipedia.org/wiki/Input/output_completion_port）实现了AIO，Linux目前只有基于epoll实现的AIO。