IO模型：同步/异步、阻塞/非阻塞理解

最近一段时间，部门中的公共项目组交付的所有微服务都采用了Netty + WebFlux的Reactor开发模式（之前是Tomcat + Servlet），本人所在的项目组作为上层的业务组，相信不久之后也要跟上这个变革的步伐。最近随着对Netty学习的深入，发现坑越来越多，对底层概念的理解就显得至关重要。藉此机会将自己对IO模型的理解写下来，以作日后查阅。

IO模型分类

概念解释

老生常谈的两种分类方式：同步和异步、阻塞和非阻塞。这里给出明确定义如下：

• 同步和异步。所谓同步，意思是调用方和被调用方是“状态同步”的，如果被调用方处于发送数据的状态，那么调用方也必然处于接收数据的“等待”状态；否则，称为异步调用，调用方可以在对方传输数据的时候进行其他操作。

• 阻塞和非阻塞。这个概念指的是调用方发起一次IO调用后，如果被调用方还没有准备好数据时，是立即返回还是等待其准备好数据（并传输完毕）再返回。如果是立即返回称为非阻塞调用，否则为阻塞。

容易看出，同步异步描述的是调用方和被调用方之间的关系，而阻塞非阻塞描述的是调用方发起调用后的状态，二者是不同维度的概念。

基本IO模型

根据前面的概念可以得出二者之间的关系：同步调用可以是阻塞或非阻塞的；异步调用一定是非阻塞的。因此得出三种基本IO模型如下：

1. 同步阻塞调用（Blocking IO）。在被调用方准备好数据并传输完毕之前，线程都处于阻塞等待状态。

2. 同步非阻塞调用（Nonblocking IO）。如果数据未准备好，立即返回错误不等待；否则等待数据传输完毕后返回内容。根据实现不同，也可以在数据就绪时不返回内容而返回就绪标志，随后调用方再发起获取数据的调用。

3. 异步非阻塞调用（Asynchronous IO）。无论数据是否准备好都立即返回空，被调用方准备好数据并传输完毕后，通过信号或回调函数通知调用方。对于系统调用来说，AIO的数据传输操作由操作系统内核进程来执行。

除以上3种基本模型外，还有一种常用的模型：

• IO多路复用（Multiplexing IO）。多路复用技术对NIO进行了增强，可以同时监听多个NIO句柄的状态，每次调用时将轮询所有的NIO句柄并返回所有已就绪的集合。多路复用调用本身也是同步IO。

在linux系统中，多路复用的相关系统调用为select/poll/epoll。理论上多路复用技术也可以使用AIO，称为Proactor模型；基于NIO的多路复用称为Reactor模型。

IO模型分层

对于常见的网络IO和文件IO，在业务层发起IO调用后的流程通常如下：

1. 从业务代码到框架底层。
2. 从框架底层到操作系统内核。
3. 从操作系统内核到IO设备（网卡/磁盘等）。

第一层，取决于框架的实现。通常业务代码都是基于框架、类库来编写的，经过框架的封装，可以改变用户的调用方式。例如一个底层使用同步阻塞式系统调用的操作，通过框架内部创建多线程，可以模拟出异步调用的回调效果。

第二层，取决于所使用的的系统调用。通常所说的IO模型指的就是该层级。大部分系统调用都是同步的，只有一些特殊的API比如Windows的IOCP库是异步调用。Linux的aio库很多都是伪aio，是通过用户态多线程模拟的。

第三层，通常是异步IO。由于DMA的存在，数据从IO设备传输到OS内核内存中的过程不需要CPU参与，传输完毕后才会通知操作系统。

Java的NIO AIO

JDK 1.4以后，Java提供了NIO的类库，通过设置channel.configureBlocking(false)支持同步非阻塞调用；同时也提供了Selector API用于支持多路复用，Selector API在Windows上使用select实现，在Linux下使用epoll实现。

JDK 1.7以后，Java还提供了AIO（NIO2）的类库，在发起IO操作时同时传入回调函数并立即返回，当IO操作完成后回调函数被自动调用，业务层表现为异步IO调用。然而由于linux内核中aio的实现不完善，Java中的AIO在linux上仍是通过epoll实现的（至少JDK 1.7是），是同步IO；在Windows上是通过IOCP实现，是真正的异步IO。

Netty IO模型

最新的Netty 4.x版本，是基于Java NIO封装的Reactor多路复用模型。根据前面的知识可知Netty使用的是同步IO，但我们经常会看到说Netty是异步事件驱动的，这是为何？

其实二者并不矛盾，只是所处的层级不同而已。同步IO指的系统调用层面，框架对OS内核的调用为同步调用。而说Netty是一个异步框架，是指用户的编程模式为异步模式，所编写的处理函数是由Netty在合适的时机自动触发调用。这种回调机制是通过Netty中的事件循环主线程，不断轮询事件队列实现的。

Netty曾经尝试过AIO（Netty.4.0.0.CR3），后来又删除了，主要原因包括：

1. Linux aio实现不完整，性能没有基于NIO的epoll好
2. 基于AIO的Proactor线程模型较为复杂，不易理解与维护
3. 即使是Windows上基于IOCP的AIO，性能也没有比基于NIO的select有明显提升。

作者原话：https://github.com/netty/netty/issues/2515

• Not faster than NIO (epoll) on unix systems (which is true)
• There is no daragram suppport
• Unnecessary threading model (too much abstraction without usage)
• I told him the fact that windows-select is crappy and he told me that this is not true anymore for Win7 & 8, which was really interesting for me. He said that it was actually very true for XP (probably even Vista), but since 7 the network stack got an update, which was new to me. IOCP still has some advantages but selector based networks are definitely capable of handling a lot of throughput since Win7, which is nice =).

参考链接：
也谈BIO | NIO | AIO （Java版）
怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别