同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞、异步非阻塞与 I/O 多路复用、Java NIO 之间的联系
同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞與 I/O 多路復用、Java NIO 之間的聯(lián)系
- 先驗知識
- 此處的異步指的是什么
- 同步、異步、阻塞、非阻塞
- 同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞
- 一個生動的例子
- I/O 多路復用
- 總結(jié)與補充
先驗知識
??在解釋這幾個概念之前，需要注意的是：
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首先需要知道操作系統(tǒng)層面的同步、異步、阻塞這幾個概念的含義。關于這方面的內(nèi)容，可見筆者的另一篇博客：
同步與異步、并行與并發(fā)、阻塞與掛起：
https://blog.csdn.net/wangpaiblog/article/details/116114098 -
本文解釋的概念至少適用于編程語言層面，但不適用于操作系統(tǒng)層面。原因是，在軟件工程中，任何設計都可以進行分層封裝。其中，每個中間層的設計對上層與下層來說都是透明的。因此，編程語言層面的“同步、異步、阻塞”與操作系統(tǒng)層面的沒有必然聯(lián)系。
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有人喜歡對“同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞”的概念，首先區(qū)分發(fā)送方和接收方，但實際上，無論是發(fā)送還是接收，本質(zhì)上都是一種“請求”的過程，如果不在操作系統(tǒng)層面進行分析，區(qū)分這兩者實無必要。
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同步、異步是針對兩個任務（此任務不同于操作系統(tǒng)理論中的作業(yè)、進程等，指的只是一個線程中要做的一件事情。本文中的任務都指的是這個。）來說的，其中一個任務為一開始就在執(zhí)行、所主要關注的，稱為主任務，而另一個是與主任務相關的一個任務，稱為相關任務。當主任務與相關任務分別位于不同的線程時，稱該線程分別為主線程、相關線程。
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阻塞是針對主任務所在的線程來說的。當主任務和相關任務位于同一個線程時，不存在“阻塞”，即此情況下不存在同步阻塞、異步阻塞。
但對于下面的情況，主任務和相關任務一定位于不同的線程：
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主任務發(fā)起的是 I/O 請求
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主任務發(fā)起的是網(wǎng)絡請求
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請求是一個期望獲得資源的行為，而“同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞”描述的是獲得期望資源之前的行為，而不是其之后的行為。這四個概念中的“阻塞”不描述在獲得資源之后主線程的程序走向。
此處的異步指的是什么
??首先需要明白，無論是對“異步”還是“非阻塞”的主線程，都不可能憑空接收到外界、執(zhí)行沒有事先設置的程序。而之所以主線程的行為會受到相關線程的影響，是因為主線程會周期性地調(diào)用一種“請求”函數(shù)，而此“請求”函數(shù)的行為會受相關線程的影響。
??其次，對于操作系統(tǒng)，只要其啟動，就一直在運行程序。如果沒有顯式的進程，就運行一個默認的空進程。另外，編程人員不可能事先預計用戶本次對本軟件的使用時長，然后在軟件中設置一個運行時間與其正好相等的一種任務。這就是說，線程在執(zhí)行時，實際上是在無限循環(huán)、周期性地執(zhí)行一系列任務。于是，可以在每個任務之間插入一個中斷點，用于執(zhí)行額外的操作（任務），以實現(xiàn)對其它線程的交互，這就是異步操作。理由是，中斷點之前的任務都已經(jīng)完成，而任務之間本是不應有任務的（因為任務之間的部分屬于空檔，沒有任何東西），因此，任務之間的中斷點是由中斷點之前的某任務插入的。由于某種原因，該任務并不想馬上執(zhí)行某操作，而是選擇將其移至一系列任務執(zhí)行完之后的某個任務之間的空檔來執(zhí)行，因此稱為異步操作。
同步、異步、阻塞、非阻塞
??前面已經(jīng)指出了關鍵性的知識點，下面將直接給“同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞”的概念。為了更好的說明，筆者做了一張圖，如下：
??對于主線程上執(zhí)行的一系列任務，如果其中的某個任務需要與相關線程交互，當其立即暫時當前的任務而發(fā)起請求，這稱為同步；當該任務將請求的時間安排到某任務完成之后再發(fā)起，這稱為異步。當發(fā)起請求時，直至獲得完整的資源之后，不會繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)在或之后的任務，這稱為阻塞；當發(fā)起請求時，立即獲得瞬時的結(jié)果，然后繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)在或之后的任務，如果獲得的瞬時資源不是完整的資源，將之后周期性發(fā)送類似的請求，直至獲得完整的資源，這稱為非阻塞。
??可以看出，同步與異步的區(qū)別在于發(fā)起請求的時機，而阻塞與非阻塞的區(qū)別在于發(fā)起請求后是否對本線程進行暫停。
同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞
??很多讀者（包含筆者）都喜歡作者能直截了當?shù)亟o出概念，而反感拐彎抹角和旁敲側(cè)擊。因此，筆者再提煉一下本文核心的四個概念：
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同步阻塞：在需要某資源時馬上發(fā)起請求，并暫停本線程之后的程序，直至獲得所需的資源。
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同步非阻塞：在需要某資源時馬上發(fā)起請求，且可以馬上得到答復，然后繼續(xù)執(zhí)行之后的程序。但如果得到的不是完整的資源，之后將周期性地的請求。
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異步阻塞：在需要某資源時不馬上發(fā)起請求，而安排一個以后的時間再發(fā)起請求。當?shù)搅四菚r發(fā)出請求時，將暫停本線程之后的程序，直至獲得所需的資源。
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異步非阻塞：在需要某資源時不馬上發(fā)起請求，而安排一個以后的時間再發(fā)起請求。當?shù)搅四菚r發(fā)出請求時，可以馬上得到答復，然后繼續(xù)執(zhí)行之后的程序。但如果得到的不是完整的資源，之后將周期性地的請求。
【提醒】
??有些過分鉆研概念的極客可能會對此提出質(zhì)疑：既然“不馬上發(fā)起請求”屬于異步，但是如果一個線程將 CPU 分配的時間片用完了，此時應該得不到執(zhí)行，那么同步非阻塞是不是可以歸于異步非阻塞呢？
??實際上不是這樣。一方面，這里的“馬上執(zhí)行”，指的是針對這個程序中相關的代碼而言的。基于上一條代碼而執(zhí)行的下一條代碼就稱為“被馬上執(zhí)行的代碼”，而不管這兩條代碼的執(zhí)行之間有沒有被 CPU 中斷。另一方面，評判 同步非阻塞 與 異步阻塞 的其中一個標準是，如果一個主線程中，依次調(diào)用了 N 個 同步非阻塞 的方法，則這些方法被執(zhí)行的次序是不確定的。但如果一個主線程中，依次調(diào)用了 N 個 異步阻塞 的方法，則當主線程完成當前的任務之后，轉(zhuǎn)而真正執(zhí)行這些異步方法時，這些方法被執(zhí)行的次序與之前調(diào)用時一致。
一個生動的例子
??一個貼切生動的例子可能對理解更有幫助。這里假設了這樣的一種情景：筆者正在進行公司安排的一個“cleancode”專項需求（下面簡稱 cleancode 專項），然后突然對于門禁上報告的一項告警不太理解，筆者想要求助自己的同事（設該同事名為 Bob），于是在公司的通信軟件（設該軟件名為 contact）上向其發(fā)送了此求助消息，并假設筆者每天有減脂的訴求，因此在下午下班后不會立刻去吃飯。
??前述的四個概念類比如下：
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同步阻塞：筆者在 contact 上給 Bob 發(fā)了一條咨詢信息，并開啟 contact 的消息自動彈出功能。然后筆者暫停手頭的工作，翹著二郎腿開始用手機摸魚，直到手機上彈出 contact 的關于 Bob 的回復信息。
解釋：
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筆者、筆者的同事 Bob：兩個位于不同服務器上的操作系統(tǒng)。
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cleancode 專項：正在“筆者操作系統(tǒng)”上運行的一個線程。
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筆者放棄工作上的任務：cleancode 專項線程被阻塞。
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筆者開始摸魚：cleancode 專項線程因阻塞而使筆者空閑，筆者通過調(diào)度來運行其它無關線程。
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contact 的消息自動彈出：在操作系統(tǒng)中，用于喚醒阻塞線程的信號量。
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同步非阻塞：筆者在 contact 上給 Bob 發(fā)了一條咨詢信息，然后筆者繼續(xù)做 cleancode 專項中的其它內(nèi)容，并周期性查看 Bob 有沒有回復。
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異步阻塞：筆者在日程表上記錄了這個待辦事項，然后筆者繼續(xù)做 cleancode 專項中的其它內(nèi)容，最后到下午下班時，筆者在 contact 上給 Bob 發(fā)了一條咨詢信息，并開啟 contact 的消息自動彈出功能。然后筆者暫停手頭的工作，翹著二郎腿開始在晚上加班時間用手機摸魚，直到手機上彈出 contact 的關于 Bob 的回復信息。
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異步非阻塞：筆者在日程表上記錄了這個待辦事項，然后筆者繼續(xù)做 cleancode 專項中的其它內(nèi)容，最后到下午下班時，筆者在 contact 上給 Bob 發(fā)了一條咨詢信息，然后筆者繼續(xù)加班做 cleancode 專項中的其它內(nèi)容，并周期性查看 Bob 有沒有回復。
I/O 多路復用
說明：
??在本小節(jié) I/O 多路復用 中，當名詞 同步、異步 單獨使用時，它指的是前面 先驗知識 中提到的“操作系統(tǒng)層面的同步、異步”，而不是 同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞 中的 “同步、異步”。
??同步非阻塞相對于同步阻塞已經(jīng)有很大的提高了，不過它依然有嚴重的性能問題。首先，在多線程中，不管它們之間的交互使用的是 同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞 中的哪種，它們之間都要解決 同步 的問題。對于同步非阻塞，由于它是非阻塞的，所以它需要不斷地詢問對方的狀態(tài)，這會占用 CPU 的時間。如果有很多線程都選擇這么做，系統(tǒng)的性能將受到很大影響。
??有一些公共資源請求是經(jīng)常發(fā)生的，比如 I/O 請求。如果使用同步非阻塞的方式來請求，一個問題就是，這些線程彼此之間互不了解對方的情況，在發(fā)出請求時沒有全局意識。比方說，如果一個臨界資源有很多線程都在請求，在這種情況下，應該會有很多線程一定請求不到。但是它們并不知道這一點，因此仍然發(fā)出這種請求，這顯然是一種浪費行為。那既然這個需求比較熱門，那么能不能類似于線程池一樣，尋找一個管理公共資源的中介者來協(xié)調(diào)這種資源的分配呢？
??答案是可以的。可以構(gòu)建一個中介者來接收所有的請求，然后將這些資源按一定的算法來為這些請求作分配。這實際上是一種 Reactor 模式。由于使用了一個中介者來管理這些請求，因此發(fā)出這個請求的請求方就不需要周期性地查詢資源的狀態(tài)，它可以交給中介者一個回調(diào)方法來令其幫忙實現(xiàn)同步。不過，因為不進行周期性地查詢，所以這是一種阻塞查詢。另外，對請求者來說，因為資源是由中介者來分配，其不能保證何時調(diào)用這個回調(diào)同步方法，所以這個過程是一種異步阻塞請求。
??I/O 多路復用（I/O multiplexing）正是這樣的一種模式。它使用中介者來接收所有的請求，并輪詢和管理相應的 I/O 資源。因此，I/O 多路復用是一種異步阻塞 I/O。Java 中的 NIO 正是基于 I/O 多路復用技術。Java NIO 中的 N，指的是 New，而不是 Non-blocking（非阻塞）。很多人分不清這一點，因為他們把異步與非阻塞混為一談。
總結(jié)與補充
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用一句話概括本文的概念：
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異步：把事情推到以后去做
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阻塞：專心做一件事情
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同步非阻塞：一邊做一件事情，一邊做另一件事情（一心二用）
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異步阻塞：把問題推到以后專心處理
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同步阻塞：馬上專心做一件事情
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異步非阻塞：把問題推到以后時不時處理一下
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線程在被阻塞時，CPU 會將時間片分給其它線程。而當線程發(fā)出非阻塞線程請求時，它以后還要周期性地請求，這同樣會占用 CPU 時間。因此，不能一味地認為異步非阻塞一定優(yōu)于同步非阻塞。同樣是異步非阻塞，底層實現(xiàn)不同，效率也不同。將程序中的所有代碼都改成異步非阻塞，也未必可以提高系統(tǒng)的整體性能。哪種性能最好要取決于具體實現(xiàn)，而不是幾個用于裝蒜的術語。
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Java 中沒有異步關鍵字，所以一般情況下，Java 代碼都是同步的，Java 中只有同步阻塞和同步非阻塞。但異步代碼可以通過同步代碼設計出來，所以 Java 中也可以設計出異步方法。
JavaScript 有異步關鍵字，但 JavaScript 是單線程的，所以 JavaScript 中只有同步阻塞和異步阻塞。
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我們平常單獨使用的“同步”一詞，實際上指的是這里的同步阻塞，而“異步”指異步非阻塞。
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在操作系統(tǒng)層面，只有單獨的同步與異步、阻塞與非阻塞的說法。此時的同步與異步的含義主要有以下幾個：
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同本文的同步阻塞、異步非阻塞。
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同步：強調(diào)兩個程序的運行彼此有邏輯、時間上的先后關系。
異步：強調(diào)兩個程序的運行彼此相對獨立。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞、异步非阻塞与 I/O 多路复用、Java NIO 之间的联系的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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