Java NIO之理解I/O模型（二）
前言
上一篇文章講解了I/O模型的一些基本概念，包括同步與非同步，阻塞與非阻塞，同步IO與非同步IO，阻塞IO與非阻塞IO。這次一起來瞭解一下現有的幾種IO模型，以及高效IO的兩種設計模式，也都是屬於IO模型的基礎知識。
UNIX下可用的五種I/O模型
根據UNIX網路程式設計對IO模型的分類，UNIX提供了5種IO模型，下面分別來介紹一下。
阻塞I/O模型
最常見的一種IO模型，之前介紹過，一個read操作是分兩個階段的，第一個階段是，等待資料準備就緒，第二個階段是將資料拷貝到呼叫這個IO的執行緒中。阻塞是發生在第一個階段的，當資料沒有準備好時，會一直阻塞使用者執行緒，當資料就緒後再將資料拷貝到執行緒中，並返回結果給使用者執行緒。
大致過程如下圖。
其實，大部分的socket介面都是典型的阻塞型。所謂阻塞型的介面是指系統呼叫（一般是IO介面）不返回呼叫結果並讓當前執行緒一直阻塞，只有當該系統呼叫獲得結果或者超時出錯時才返回。
通過介紹了阻塞IO，我們很容易就會發現它的問題，那就是阻塞會是使用者執行緒無法進行任何運算和請求。一般我們的處理這種問題的情況是使用多執行緒，每個連結建立一個執行緒，或是使用執行緒池來管理執行緒，或許可以緩解部分壓力，但是不能解決所有問題。多執行緒模型可以方便高效的解決小規模的服務請求，但面對大規模的服務請求，多執行緒模型也會遇到瓶頸，可以用非阻塞介面來嘗試解決這個問題。
非阻塞I/O模型
非阻塞IO模型是這樣一個過程，當應用程式發起一個read操作時，並不會阻塞，而是立刻會收到一個結果。應用程式的執行緒發現返回結果是一個error時，它就知道資料還沒有準備好，於是它可以再次傳送read操作。一旦資料準備好了，並且又再次收到了使用者執行緒的請求，那麼它馬上就將資料拷貝到了使用者記憶體，然後返回。
這樣的一個過程，其實是需要使用者執行緒不斷的去詢問系統是否準備好了資料，這樣就會一直佔用CPU資源。但是這種模型是在只專門提供某種功能的系統才有。
大致過程如下：
多路I/O複用模型
在介紹多路複用I/O時就要先簡單說明一下，select函式和poll函式。
select函式
select函式允許程式指示核心等待多個事件中的任何一個事件發生，並且只在有一個或多個事件發生或經歷一段指定的時間後才喚醒它。
- 舉個例子，我們可以呼叫select，告知核心僅在下列情況發生時才返回：
- 集合 {1,4,5} 中的任何描述符準備好讀；
- 集合 {2,7} 中的任何描述符準備好寫；
- 集合 {1,4} 中的任何描述符有異常條件待處理；
- 已經經歷10.2秒；
也就是說，我們呼叫select告知核心對哪些描述符（讀、寫或異常條件）感興趣以及等待多長時間。
poll函式
poll函式起源於SVR3，最初侷限於流裝置。SVR4取消了這種限制，允許poll工作在任何描述符上。poll函式提供的功能與select函式類似，但是poll沒有最大檔案描述符數量的限制。
select函式和poll函式將就緒的檔案描述符告訴程式後，如果程式沒有對其進行IO操作，那麼下次呼叫select函式或者poll函式時會再次報告這些檔案描述符， 所以他們一般不會丟失就緒的訊息，這種方式稱為水平觸發(Level Triggered)。
簡單的解了select函式和poll函式後，下面我們就繼續說多路I/O複用模型。多路IO複用模型就是呼叫select或poll函式，並且此模型的阻塞過程就是發生在呼叫這兩個函式中的，而不是發生在真正的的I/O系統呼叫上的，使用select或poll的好處在於可以用單個執行緒或程式，處理多個網路連線的IO。整個過程就是select或poll函式會不斷的輪詢所負責的socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者執行緒或程式。
大概呼叫如下：
Java中的NIO實際上就是使用的多路IO複用模型，通過selector.select()去查詢每個通道是否有到達事件，如果沒有事件，則一直阻塞在那裡，因此多路複用IO模型也會阻塞使用者執行緒，只不過執行緒是被select函式阻塞的而不是被scoket IO阻塞的。
所以多路複用IO模型和非阻塞IO有類似之處，但是多路複用IO模型的效率是比非阻塞IO模型要高的，因為在非阻塞IO中，不斷的詢問scoket狀態的是通過使用者執行緒去進行的，而多路複用IO模型，輪詢每個scoket狀態是核心在進行的，這個效率是比使用者執行緒要高很多的。這樣也能看出來多路複用IO模型比較適合連結數比較多的情況。
不過此模型也是存在問題的，由於多路複用IO模型是通過輪詢的方式來檢測是否有事件到達，並對到達的事件逐一響應，一旦事件響應體很大或是響應事件數量過多，就會消耗大量的時間去處理事件，從而影響整個過程的及時性。為了應對這種情況linux系統提供了epoll介面，但是除了linux的其他作業系統對epoll介面的支援又有很多差異，所以雖然epoll解決了事件檢測的時效性問題，但是在跨平臺能力上卻並不能得到很好的支援。
訊號驅動IO模型
在訊號驅動IO模型中，讓核心在資料報準備就緒時傳送SIGIO訊號通知使用者執行緒。
整個過程如下：
首先開啟套接字的訊號驅動式IO功能，並通過sigaction系統呼叫安裝一個訊號處理函式。該系統呼叫將立即返回，程式繼續工作，也就是說沒有被阻塞。當資料報準備好讀取時，核心就為該程式產生一個SIGIO訊號。我們隨後就可以在訊號處理函式中呼叫recvfrom讀取資料報，並通知使用者程式資料已經準備好了，可以讀取了。
這種模型的優點在於等待資料報到達期間不會被阻塞，使用者程式可以繼續執行，只要等待來自訊號處理函式的通知即可。
非同步IO模型
非同步IO模型的過程是這樣的，當使用者執行緒發起read操作時，告知核心啟動讀取資料操作，並讓核心在整個操作（包括將資料從核心複製到我們自己的緩衝區）完成後通知我們。這樣在核心執行讀取資料操作時，使用者執行緒可以繼續執行，當接收到核心在整個操作都完成的訊號時，就可以直接去使用資料了。
大致過程如下：
在非同步IO模型中，IO操作的兩個階段都不會阻塞使用者執行緒或程式，這兩個階段都是由核心完成的，然後傳送一個訊號告知使用者執行緒或程式操作已完成。非同步IO模型與訊號驅動IO模型的區別在於，訊號驅動IO模型是由核心通知使用者執行緒何時啟動一個IO操作，而非同步IO模型是由核心通知我們IO操作何時完成，非同步IO模型中使用者執行緒並不需要進行實際的讀寫操作，只需要在核心操作完成後，接到讀取完成訊號後，直接使用資料即可。
非同步IO是需要作業系統底層支援的，Linux從核心2.6版本才開始支援非同步IO。在Java 7中就已經支援非同步IO了。
兩種高效能IO設計模式Reactor和Proactor
Reactor模式
Reactor的意思是反應器，字面意思就是立即反應。
Reactor的工作方式：
（1）應用程式註冊讀就緒事件和相關聯的事件處理器
（2）Reactor阻塞等待核心事件通知
（3）Reactor收到通知，然後分發可讀寫事件（讀寫準備就緒）到使用者事件處理函式
（4）使用者讀取資料，並處理資料
（5）事件處理器完成實際的讀操作，處理讀到的資料，註冊新的事件，然後返還控制權。
大致過程是，每個應用程式宣佈它對某個socket感興趣，然後就需要到Reactor中註冊感興趣事件以及相關的處理函式。當socket發現有事件到達時，就會按順序對每個事件進行處理（呼叫處理函式），當所有事件處理完成後，會繼續迴圈這整個操作。
過程如下圖所示：
從這個設計模式的處理過程中可以看出，多路IO複用模型就是使用的 Reactor模式，並且這種設計模式還是體現的同步IO。
Proactor模式
Proactor的意思是主動器，主動去完成相應的工作不影響主流程。
Proactor模式的工作方式：
（1）應用程式初始化一個非同步讀取操作，然後註冊相應的事件處理器，此時事件處理器不關注讀取就緒事件，而是關注讀取完成事件，這是區別於Reactor的關鍵。
（2）事件分離器等待讀取操作完成事件
（3）在事件分離器等待讀取操作完成的時候，作業系統呼叫核心執行緒完成讀取操作，並將讀取的內容放入使用者傳遞過來的快取區中。這也是區別於Reactor的一點，Proactor中，應用程式需要傳遞快取區。
（4）事件分離器捕獲到讀取完成事件後，啟用應用程式註冊的事件處理器，事件處理器直接從快取區讀取資料，而不需要進行實際的讀取操作。
非同步IO模型就是使用的Proactor模式。
參考資料：
《Unix網路程式設計》