Java BIO/NIO/AIO模型

Java BIO/NIO/AIO模型

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一、概述

Java 中的 BIO、NIO和 AIO 理解为是 Java 语言对操作系统的各种 IO 模型的封装

在IO中需要区分:同步/异步,阻塞/非阻塞几个概念

  • 同步 :两个同步任务相互依赖,并且一个任务必须以依赖于另一任务的某种方式执行。 比如在A->B事件模型中,你需要先完成 A 才能执行B。 再换句话说,同步调用种被调用者未处理完请求之前,调用不返回,调用者会一直等待结果的返回。
  • 异步: 两个异步的任务完全独立的,一方的执行不需要等待另外一方的执行。再换句话说,异步调用种一调用就返回结果不需要等待结果返回,当结果返回的时候通过回调函数或者其他方式拿着结果再做相关事情,

阻塞和非阻塞

  • 阻塞: 阻塞就是发起一个请求,调用者一直等待请求结果返回,也就是当前线程会被挂起,无法从事其他任务,只有当条件就绪才能继续。
  • 非阻塞: 非阻塞就是发起一个请求,调用者不用一直等着结果返回,可以先去干其他事情。

如何区分 “同步/异步 ”和 “阻塞/非阻塞” 呢?

同步/异步是从行为角度描述事物的,而阻塞和非阻塞描述的当前事物的状态(等待调用结果时的状态)

二、BIO (Blocking I/O)

同步阻塞I/O模式,数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。

传统BIO

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采用 BIO 通信模型 的服务端,通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接。我们一般通过在while(true) 循环中服务端会调用 accept() 方法等待接收客户端的连接的方式监听请求,请求一旦接收到一个连接请求,就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作,此时不能再接收其他客户端连接请求,只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成, 不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接。

伪异步IO

使用线程池来优化传统BIO模型
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采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架,它的模型图如上图所示。当有新的客户端接入时,将客户端的 Socket 封装成一个Task(该任务实现java.lang.Runnable接口)投递到后端的线程池中进行处理,JDK 的线程池维护一个消息队列和 N 个活跃线程,对消息队列中的任务进行处理。由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数,因此,它的资源占用是可控的,无论多少个客户端并发访问,都不会导致资源的耗尽和宕机。

NIO(New I/O)

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NIO是一种同步非阻塞的I/O模型,在Java 1.4 中引入了 NIO 框架,对应 java.nio 包,提供了 Channel , Selector,Buffer等抽象。

NIO中的N可以理解为Non-blocking,不单纯是New。

NIO主要有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓冲区), Selector(选择区)

BIO、NIO区别

1)BIO面向流、NIO面向缓冲区

Buffer是一个对象,它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象,体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中·可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类,但只是流的包装类,还是从流读到缓冲区,而 NIO 却是直接读到 Buffer 中进行操作。

Buffer实际上是一个容器,是一个连续数组。Channel 提供从文件、 网络读取数据的渠道,但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

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上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据,然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时,必须先将数据存入 Buffer 中,然后将 Buffer 中的内容写入通道。服务端这边接收数据必 须通过 Channel 将数据读入到 Buffer 中,然后再从Buffer 中取出数据来处理。

每一种Java基本类型(除了Boolean类型)都对应有一种缓冲区。

2)NIO的非阻塞

IO 的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用 read() 或 write()时,该线程被阻塞,直到有 一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说,单线程中从通道读取数据到buffer,同时可以继续做别的事情,当数据读取到buffer中后,线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外,非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。

3)Channel

NIO 通过Channel(通道) 进行读写。

Stream是单向的,譬如:InputStream, OutputStream。而Channel 是双向 的,既可读又可写。

NIO中的Channel 的主要实现有:

  1. FileChannel 文件IO
  2. DatagramChannel UDP
  3. SocketChannel TCP(Server)
  4. ServerSocketChannel TCP(Client)

4)Selector (选择器)

Selector 类是 NIO的核心类,Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生,如果有事件发生,便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。

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这样一来,只是用一个单线程就可 以管理多个通道,也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时,才会调用 函数来进行读写,就大大地减少了系统开销,并且不必为每个连接都创建一个线程,不用去维护 多个线程,并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞的IO模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的,也就是应用操作之后会直接返回,不会堵塞在那里,当后台处理完成,操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

AIO 是异步IO的缩写,虽然 NIO 在网络操作中,提供了非阻塞的方法,但是 NIO 的 IO 行为还是同步的。对于 NIO 来说,我们的业务线程是在 IO 操作准备好时,得到通知,接着就由这个线程自行进行 IO 操作,IO操作本身是同步的。

除了 AIO 其他的 IO 类型都是同步的。