高性能IO模型解析服务器端编程往往需要构建高性能IO模型。常见的IO模型有四种：（1）同步阻塞IO（BlockingIO）：传统的IO模型。(2)同步非阻塞IO(Non-blockingIO)：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO需要socket设置为NONBLOCK。注意这里说的NIO并不是Java的NIO（NewIO）库。(3)IO多路复用(IOMultiplexing)：经典的Reactor设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模式。(4)异步IO（AsynchronousIO）：经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。同步和异步的概念描述了用户线程和内核之间的交互：同步是指用户线程发起IO请求后，需要等待或轮询内核IO操作完成后才能继续执行；继续执行，当内核IO操作完成后，会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。阻塞和非阻塞的概念描述了用户线程调用内核IO操作的方式：阻塞是指IO操作需要完全完成才返回用户空间；非阻塞是指IO操作立即返回给用户一个状态值，而不用等到IO操作完全完成。另外，RichardStevens在《Unix网络编程》Volume1中提到的信号驱动IO（SignalDrivenIO）模型，由于该模型不常用，本文不做介绍。下面详细分析四种常见IO模型的实现原理。为了描述方便，我们统一以IO读操作为例。1、同步阻塞IO同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞。如图1所示，用户线程通过系统调用read发起IO读操作，从用户空间转移到内核空间。内核等待数据包到达，然后将接收到的数据复制到用户空间，完成读操作。用户线程使用同步阻塞IO模型的伪代码描述为：{read(socket,buffer);process(buffer);}，即用户需要等待read将socket中的数据读入buffer中，才能继续处理接收到的数据。在整个IO请求过程中，用户线程处于阻塞状态，导致用户在发起IO请求时无能为力，CPU的资源利用率不够。2.同步非阻塞IO同步非阻塞IO是基于同步阻塞IO，socket设置为NONBLOCK。这样用户线程发起IO请求后就可以立即返回。如图2所示，由于socket是非阻塞的，用户线程发起IO请求后立即返回。但是一直没有读取到数据，需要用户线程不断的发起IO请求，直到数据到来，才真正读取到数据，继续执行。用户线程使用同步非阻塞IO模型的伪代码描述为：{while(read(socket,buffer)!=SUCCESS);process(buffer);}即用户需要不断调用read来尝试读取socket中的数据，读取成功后才处理接收到的数据。在整个IO请求过程中，虽然每次发起IO请求后用户线程都可以立即返回，但是为了等待数据，仍然需要不断的轮询和重复请求，消耗大量的CPU资源。一般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO特性。3.IO多路复用IO多路复用模型是基于内核提供的多路分解函数select。使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。如图3所示，用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中，然后阻塞等待select系统调用的返回。当数据到达时，套接字被激活，选择函数返回。用户线程正式发起读请求，读取数据并继续执行。从流程上看，IO请求使用select函数和同步阻塞模型没有太大区别。甚至还有添加监听socket和调用select函数的额外操作，效率较低。但是使用select最大的好处就是用户可以在一个线程中同时处理多个socketIO请求。用户可以注册多个socket，然后不断调用select读取激活的socket，从而达到在同一个线程中同时处理多个IO请求的目的。在同步阻塞模型中，这个目标必须通过多线程来实现。用户线程使用select函数的伪代码描述为：{select(socket);while(1){sockets=select();for(socketinsockets){if(can_read(socket)){read(socket,buffer);process(buffer);}}}}在while循环之前，将socket加入select监听，然后在while中调用select，获取激活的socket。一旦套接字可读，调用read函数读取套接字中的数据。然而，使用select函数的优势并不止于此。上面的方法虽然可以让多个IO请求在一个线程中处理，但是每个IO请求的进程仍然是阻塞的（阻塞在select函数上），平均时间比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求，然后自己做自己的事情，等待数据到达再处理，可以提高CPU的利用率。IO多路复用模型使用Reactor设计模式实现此机制。如图4所示，EventHandler抽象类代表IO事件处理器，有IO文件句柄Handle（通过get_handle获取），以及Handle操作的handle_event（读/写等）。从EventHandler继承的子类可以自定义事件处理程序的行为。Reactor类用于管理EventHandler（注册、删除等），并使用handle_events实现事件循环，不断调用同步事件多路分离器（通常是内核）的多路分离函数select，只要一个文件句柄被激活（可读/可写等），select会返回（block），handle_events会调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操作。如图5所示，通过Reactor可以将用户线程轮询IO操作状态的工作统一交给handle_events事件循环处理。用户线程注册事件处理程序后，可以继续执行其他工作（异步），Reactor线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当一个socket被激活时，通知对应的用户线程（或执行用户线程的回调函数），执行handle_event读取和处理数据。由于select函数是阻塞的，所以多路复用IO复用模型也称为异步阻塞IO模型。注意，这里的阻塞指的是执行select函数时被阻塞的线程，而不是socket。一般在使用IO多路复用模型时，socket设置为NONBLOCK，但这不会影响，因为当用户发起IO请求时，数据已经到达，用户线程不会阻塞。用户线程使用IO多路复用模型的伪代码描述为：voidUserEventHandler::handle_event(){if(can_read(socket)){read(socket,buffer);process(buffer);}}{Reactor.register(newUserEventHandler(socket)));}用户需要重写EventHandler的handle_event函数来读取和处理数据。用户线程只需要将自己的EventHandler注册到Reactor即可。Reactor中handle_events事件循环的伪代码大致如下。Reactor::handle_events(){while(1){sockets=select();for(socketinsockets){get_event_handler(socket).handle_event();}}}事件循环不断调用select获取激活的socket，然后根据到获取socket对应的EventHandler，executor的handle_event函数就可以了。IO多路复用是最常用的IO模型，但是它的异步性不够“彻底”，因为它使用了阻塞线程的select系统调用。因此，IO多路复用只能称为异步阻塞IO，不能称为真正的异步IO。4、异步IO“真”异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中，事件循环通知用户线程文件句柄的状态事件，用户线程自己读取和处理数据。在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取并放入用户线程指定的缓冲区中。IO完成后，内核通知用户线程直接使用。异步IO模型使用Proactor设计模式实现此机制。如图6所示，Proactor模式和Reactor模式在结构上很相似，但是用户（Client）使用它们的方式却有很大的不同。在Reactor模式下，用户线程向Reactor对象注册感兴趣的事件监听器，然后在事件触发时调用事件处理函数。在Proactor模式下，用户线程在操作完成后将AsynchronousOperation（读/写等）、Proactor、CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor采用Facade模式提供了一套异步操作API（read/write等）供用户使用。当用户线程调用异步API时，它继续执行自己的任务。AsynchronousOperationProcessor会开启一个独立的内核线程进行异步操作，实现真正的异步。当异步IO操作完成后，AsynchronousOperationProcessor取出注册到用户线程和AsynchronousOperation的Proactor和CompletionHandler，然后将CompletionHandler和IO操作的结果数据转发给Proactor，Proactor负责回调事件完成处理每个异步操作的函数handle_event。Proactor模式下虽然每个异步操作都可以绑定一个Proactor对象，但是在操作系统中一般会将Proactor实现为Singleton模式，以方便操作完成事件的集中分发。如图7所示，在异步IO模型中，用户线程直接使用内核提供的异步IOAPI发起读请求，发起后立即返回，继续执行用户线程代码。但是此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核中，然后操作系统启动一个独立的内核线程来处理IO操作。当read请求的数据到达时，内核负责读取socket中的数据，写入用户指定的缓冲区。***内核将读取到的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部的Proactor，Proactor将IO完成信息通知给用户线程（一般通过调用用户线程注册的完成事件处理函数）来完成异步IO。用户线程使用异步IO模型的伪代码描述为：voidUserCompletionHandler::handle_event(buffer){process(buffer);}{aio_read(socket,newUserCompletionHandler);}用户需要重写CompletionHandler的handle_event函数来处理数据，parametersBuffer表示Proactor已经准备好的数据。用户线程直接调用内核提供的异步IOAPI，注册重写的CompletionHandler。与IO多路复用模型相比，异步IO并不是很常用。很多高性能并发服务程序采用IO多路复用模型+多线程任务处理架构基本可以满足需求。而且目前的操作系统对异步IO的支持还不是特别完善，更多的是使用IO多路复用模型来模拟异步IO（触发IO事件时，不直接通知用户线程，而是读取数据并写入并放置在用户指定的缓冲区中）。Java7开始支持异步IO，有兴趣的读者可以尝试使用。本文从基本概念、工作流、代码示例三个层面简要介绍四种常见的高性能IO模型的结构和原理，理清容易混淆的同步、异步、阻塞、非阻塞概念。通过对高性能IO模型的了解，可以在服务端程序的开发中选择更符合实际业务特点的IO模型来提高服务质量。希望本文对您有所帮助。本文版权归作者及博客园所有，作者：Florian。
