I/O的模型

首先要宣告的一點一定要把同步/非同步 阻塞/非阻塞 以及I/O這三者的概念區別開來，同步大部分是阻塞
的，非同步大部分是非阻塞的，但是它們之間並沒有必然的因果關係

同步與非同步

兩者產生需要有個前提——是否有多個任務或事件發生，只有滿足了這一前提，才有了同步和非同步的概念

同步：如果有多個任務或者事件要發生，這些任務或者事件必須逐個地進行，一個事件或者任務
的執行會導致整個流程的暫時等待，這些事件沒有辦法併發地執行

非同步：如果有多個任務或者事件發生，這些事件可以併發地執行，一個事件或者任務的執行不會
導致整個流程的暫時等待

再擴充套件一點，所謂同步，就是在發出一個功能呼叫時，在沒有得到結果之前，該呼叫就不返回。按照這個定義，
其實絕大多數函式都是同步呼叫。但是一般而言，我們在說同步、非同步的時候，特指那些需要其他部件協作或
者需要一定時間完成的任務

舉個例子，小明他媽（呼叫方）派小明（被呼叫方）去車站迎接客人，小明一直在車站等到客人到達，把客人
帶回家，交給他媽，這就是同步呼叫。
小明嫌在車站等著無聊，改為每隔五分鐘就出去看一次，立即回來告訴他媽客人到沒到，這就是非同步呼叫

阻塞和非阻塞

這兩個概念的前提條件是某個事件或者任務在執行

阻塞：當某個事件或者任務在執行過程中，它發出一個請求操作，但是由於該請求操作需要的條件
不滿足，那麼就會一直在那等待，直至條件滿足

非阻塞：當某個事件或者任務在執行過程中，它發出一個請求操作，如果該請求操作需要的條件不
滿足，會立即返回一個標誌資訊告知條件不滿足，不會一直在那等待

因此同步/非同步和阻塞/非阻塞沒有必聯的關係，至於為什麼有時候會感覺兩者有聯絡呢？是因為java中為
了使多執行緒同步，會用上鎖的方式鎖住某一共享資源，等待鎖的執行緒就被阻塞了，感覺上為了同步就有了阻
塞。其實不然，因為同步/非同步和阻塞/非阻塞概念產生的前提是不一樣的，前兩者是多工，後者是單任務
執行過程中遇到阻礙

阻塞/非阻塞, 它們是程式在等待訊息(無所謂同步或者非同步)時的狀態
阻塞呼叫是指呼叫結果返回之前，當前執行緒會被掛起。有人也許會把阻塞呼叫和同步呼叫等同起來，實際上他是不同的。對於同步呼叫來說，很多時候當前執行緒還是啟用的，只是從邏輯上當前函式沒有返回而已。
非阻塞和阻塞的概念相對應，指在不能立刻得到結果之前，該函式不會阻塞當前執行緒，而會立刻返回。
還是小明他媽（呼叫方）派小明（被呼叫方）去車站迎接客人，在客人到來之前，小明他媽什麼都不幹，專心等待客人，這就是阻塞呼叫
後來，小明他媽變聰明瞭，在客人到來之前，她可以洗菜、拖地、聽聽歌，客人來了之後再招待客人，這就是非阻塞呼叫

I/O的操作過程

通常來說，IO操作包括：對硬碟的讀寫、對socket的讀寫以及外設的讀寫，並且需要進行使用者空間和核心空
間的區分(使用者空間就是普通的使用者程序，核心空間就是核心程序，只有核心空間才可以直接範圍磁碟等物理
I/O裝置)

使用者空間產生一個讀請求，請求再轉交由核心空間執行
1. 核心檢查讀取的資料是否就緒
2. 如果就緒，核心將資料從核心空間複製到使用者空間(記憶體上拷貝)

阻塞I/O與非阻塞I/O

阻塞I/O：核心在檢查資料未就緒時，會一直等待，直到資料就緒
非阻塞I/O：如果資料沒有就緒，則會返回一個標誌資訊告知使用者執行緒當前要讀的資料沒有就緒

它們的區別在於I/O的第一階段，阻塞是選擇等待，非阻塞是返回一個標誌資訊

那麼非阻塞I/O的優勢在哪裡呢？使用阻塞I/O處理網路連線時，有10000個連線就要開10000個執行緒，無論
有沒有資料到來，處理某一連線的執行緒必須“忠實地阻塞”。而非阻塞I/O就不需要這樣，它可以維護一個1000
個執行緒的執行緒池，當有資料就緒時，啟動一個執行緒去接受資料，當沒有資料時，執行緒不需要等待，直接就可以
回到池中，等待被排程到去接受其它連線。因此非阻塞I/O非常適合連線多但傳輸的資料內容不大的情況，如
果連線少資料多，阻塞I/O更容易程式設計

同步I/O和非同步I/O

事實上，同步IO和非同步IO模型是針對使用者執行緒和核心的互動來說的，即資料是否就緒的訊息傳遞機制

同步IO：當用戶發出IO請求操作之後，如果資料沒有就緒，需要通過使用者執行緒或者核心不斷地去輪詢資料是否
就緒，當資料就緒時，再將資料從核心拷貝到使用者執行緒

非同步IO：只有IO請求操作的發出是由使用者執行緒來進行的，核心自動完成檢查資料是否就緒和將資料拷貝
到使用者空間的過程，然後傳送通知告知使用者執行緒IO操作已經完成。

在《Unix網路程式設計》書中說到：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until
that I/O operation completes.

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

也許會奇怪在這裡說到同步I/O會阻塞，非同步I/O不會阻塞，那麼是不是意味著同步I/O必然是阻塞I/O呢？
其實不然，同步/非同步I/O阻塞的地方和之前說的阻塞/非阻塞IO阻塞的地方不一樣。同步/非同步I/O阻塞的地方
是使用者或核心需要輪詢資料是否就緒，而阻塞/非阻塞IO是阻塞在資料未就緒的狀態下。

同步阻塞I/O=UNIX 阻塞I/O

java 傳統IO模型(java.io.* 又稱為BIO Blocking-IO) 使用者執行緒發起I/O請求，再轉交給核心，輪詢
核心資料是否就緒(同步I/O)，核心通知使用者空間資料未就緒，使用者執行緒選擇等待(阻塞I/O)

同步非阻塞I/O=UNIX 非阻塞I/O

使用者執行緒發起I/O請求，再轉交給核心，並不斷輪詢核心資料是否就緒(同步I/O)，核心通知使用者空間資料未
就緒，使用者執行緒直接返回標誌資訊不等待(非阻塞I/O)

while(true){
    data = socket.read();
    if(data!= error){
        處理資料
        break;
    }
}

同步非阻塞I/O=UNIX 多路複用I/O

java nio模型(java.nio.* jdk1.4/1.5 NoBlocking-IO) 在多路複用IO模型中，會有一個執行緒不斷
去輪詢多個socket的狀態，只有當socket真正有讀寫事件時，才真正呼叫實際的IO讀寫操作，只需要使用
一個執行緒就可以管理多個socket

在Java NIO中，是通過selector.select()去查詢每個通道是否有到達事件，如果沒有資料到達，則跳過
有資料到達，就處理資料。因此它可以歸類為同步非阻塞I/O

其實就是一個執行緒輪詢方式(同步I/O)管理多個非阻塞(非阻塞I/O)的通道(channel)，多路複用在這個管理
執行緒可管理多個I/O通道

非同步阻塞I/O=UNIX 訊號驅動I/O

在訊號驅動IO模型中，當用戶執行緒發起一個IO請求操作，會給對應的socket註冊一個訊號函式，然後使用者
執行緒會繼續執行，當核心資料就緒時會發送一個訊號給使用者執行緒(非同步I/O)，使用者執行緒接收到訊號之後，便
在訊號函式中呼叫IO讀寫操作來進行實際的IO請求操作(阻塞I/O 因為將資料從核心空間複製到使用者空間時
使用者執行緒會被阻塞)

非同步非阻塞I/O=UNIX 非同步IO

java的 nio.2模型(jdk1.7 AsynchronousChannel)
真正的非同步非阻塞I/O，最理想的I/O模型。當用戶執行緒發起read操作之後，立刻就可以開始去做其它的事，
而另一方面，從核心的角度，當它受到一個asynchronous read之後，它會立刻返回，說明read請求已經
成功發起了，因此不會對使用者執行緒產生任何block。然後，核心會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到用
戶執行緒，當這一切都完成之後，核心會給使用者執行緒傳送一個訊號，告訴它read操作完成了。也就說使用者執行緒
完全不需要實際的整個IO操作是如何進行的，只需要先發起一個請求，當接收核心返回的成功訊號時表示IO
操作已經完成，可以直接去使用者空間使用資料了。

在I/O的第一第二階段，使用者執行緒都不需要管，不需要輪詢是否就緒(非同步)，也不需要等待就緒後資料拷貝
的時間(非阻塞)，當然也不存在如果沒就緒的話執行緒的等待(非阻塞)

總結一下，除了非同步非阻塞I/O=UNIX 非同步IO 其他I/O模型都是阻塞的：
1. 同步阻塞I/O=UNIX 阻塞I/O 同步在使用者執行緒輪詢，阻塞在資料未就緒和就緒後的複製
2. 同步非阻塞I/O=UNIX 非阻塞I/O 同步在使用者執行緒輪詢，資料未就緒時不阻塞，阻塞在就緒後複製
3. 同步非阻塞I/O=UNIX 多路複用I/O 同步在使用者執行緒輪詢，資料未就緒時不阻塞，阻塞在就緒後複製
但與UNIX 非阻塞I/O區別在於，由一個執行緒來維護多個非阻塞通道，屬於輕微加強版
4. 非同步阻塞I/O=UNIX 訊號驅動I/O 核心通知是否就緒，資料未就緒時不阻塞，阻塞在就緒後複製
5. 非同步非阻塞I/O=UNIX 非同步IO 核心通知是否就緒，絕對不阻塞

同步/非同步IO——在於訊息通知
阻塞/非阻塞IO——在於資料未就緒時阻塞麼？資料就緒時，需要使用者執行緒等待資料從核心複製到使用者空間麼？
非同步I/O需要作業系統的支援