Java中I/O模型的示例分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Java中I/O模型的示例分析，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

相關(guān)概念

同步和異步

描述的是用戶線程與內(nèi)核的交互方式：

• 同步是指用戶線程發(fā)起 I/O 請求后需要等待或者輪詢內(nèi)核 I/O 操作完成后才能繼續(xù)執(zhí)行；

• 異步是指用戶線程發(fā)起 I/O 請求后仍繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)內(nèi)核 I/O 操作完成后會通知用戶線程，或者調(diào)用用戶線程注冊的回調(diào)函數(shù)。

阻塞和非阻塞

描述的是用戶線程調(diào)用內(nèi)核 I/O 操作的方式：

• 阻塞是指 I/O 操作需要徹底完成后才返回到用戶空間；

• 非阻塞是指 I/O 操作被調(diào)用后立即返回給用戶一個狀態(tài)值，無需等到 I/O 操作徹底完成。

一個 I/O 操作其實分成了兩個步驟：發(fā)起 I/O 請求和實際的 I/O 操作。 阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的區(qū)別在于第一步，發(fā)起 I/O 請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是傳統(tǒng)的阻塞 I/O ，如果不阻塞，那么就是非阻塞 I/O 。 同步 I/O 和異步 I/O 的區(qū)別就在于第二個步驟是否阻塞，如果實際的 I/O 讀寫阻塞請求進(jìn)程，那么就是同步 I/O 。

Unix I/O 模型

Unix 下共有五種 I/O 模型：

• 阻塞 I/O

• 非阻塞 I/O

• I/O 復(fù)用（select 和 poll）

• 信號驅(qū)動 I/O（SIGIO）

• 異步 I/O（POSIX 的 aio_系列函數(shù)）

阻塞 I/O

請求無法立即完成則保持阻塞。

階段1：等待數(shù)據(jù)就緒。網(wǎng)絡(luò) I/O 的情況就是等待遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)陸續(xù)抵達(dá)；磁盤I/O的情況就是等待磁盤數(shù)據(jù)從磁盤上讀取到內(nèi)核態(tài)內(nèi)存中。
階段2：數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程。出于系統(tǒng)安全,用戶態(tài)的程序沒有權(quán)限直接讀取內(nèi)核態(tài)內(nèi)存,因此內(nèi)核負(fù)責(zé)把內(nèi)核態(tài)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)拷貝一份到用戶態(tài)內(nèi)存中。

非阻塞 I/O

• socket 設(shè)置為 NONBLOCK（非阻塞）就是告訴內(nèi)核，當(dāng)所請求的 I/O 操作無法完成時，不要將進(jìn)程睡眠，而是返回一個錯誤碼(EWOULDBLOCK) ，這樣請求就不會阻塞
  

• I/O 操作函數(shù)將不斷的測試數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，如果沒有準(zhǔn)備好，繼續(xù)測試，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。整個 I/O 請求的過程中，雖然用戶線程每次發(fā)起 I/O 請求后可以立即返回，但是為了等到數(shù)據(jù)，仍需要不斷地輪詢、重復(fù)請求，消耗了大量的 CPU 的資源
  

• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

一般很少直接使用這種模型，而是在其他 I/O 模型中使用非阻塞 I/O 這一特性。這種方式對單個 I/O 請求意義不大,但給 I/O 多路復(fù)用鋪平了道路.

I/O 復(fù)用（異步阻塞 I/O）

I/O 多路復(fù)用會用到 select 或者 poll 函數(shù)，這兩個函數(shù)也會使進(jìn)程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的的，這兩個函數(shù)可以同時阻塞多個 I/O 操作。而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的 I/O 函數(shù)進(jìn)行檢測，直到有數(shù)據(jù)可讀或可寫時，才真正調(diào)用 I/O 操作函數(shù)。

從流程上來看，使用 select 函數(shù)進(jìn)行 I/O 請求和同步阻塞模型沒有太大的區(qū)別，甚至還多了添加監(jiān)視 socket，以及調(diào)用 select 函數(shù)的額外操作，效率更差。但是，使用 select 以后最大的優(yōu)勢是用戶可以在一個線程內(nèi)同時處理多個 socket 的 I/O 請求。用戶可以注冊多個 socket，然后不斷地調(diào)用 select 讀取被激活的 socket，即可達(dá)到在同一個線程內(nèi)同時處理多個 I/O 請求的目的。而在同步阻塞模型中，必須通過多線程的方式才能達(dá)到這個目的。

I/O 多路復(fù)用模型使用了 Reactor 設(shè)計模式實現(xiàn)了這一機制。

調(diào)用 select / poll 該方法由一個用戶態(tài)線程負(fù)責(zé)輪詢多個 socket,直到某個階段1的數(shù)據(jù)就緒,再通知實際的用戶線程執(zhí)行階段2的拷貝。 通過一個專職的用戶態(tài)線程執(zhí)行非阻塞I/O輪詢,模擬實現(xiàn)了階段一的異步化

信號驅(qū)動 I/O（SIGIO）

首先我們允許 socket 進(jìn)行信號驅(qū)動 I/O,并安裝一個信號處理函數(shù)，進(jìn)程繼續(xù)運行并不阻塞。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時，進(jìn)程會收到一個 SIGIO 信號，可以在信號處理函數(shù)中調(diào)用 I/O 操作函數(shù)處理數(shù)據(jù)。

異步 I/O

調(diào)用 aio_read 函數(shù)，告訴內(nèi)核描述字，緩沖區(qū)指針，緩沖區(qū)大小，文件偏移以及通知的方式，然后立即返回。當(dāng)內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)后，再通知應(yīng)用程序。

異步 I/O 模型使用了 Proactor 設(shè)計模式實現(xiàn)了這一機制。

告知內(nèi)核,當(dāng)整個過程(包括階段1和階段2)全部完成時,通知應(yīng)用程序來讀數(shù)據(jù).

幾種 I/O 模型的比較

前四種模型的區(qū)別是階段1不相同，階段2基本相同，都是將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到調(diào)用者的緩沖區(qū)。而異步 I/O 的兩個階段都不同于前四個模型。

同步 I/O 操作引起請求進(jìn)程阻塞，直到 I/O 操作完成。異步 I/O 操作不引起請求進(jìn)程阻塞。

常見 Java I/O 模型

在了解了 UNIX 的 I/O 模型之后，其實 Java 的 I/O 模型也是類似。

“阻塞I/O”模式

在上一節(jié) Socket 章節(jié)中的 EchoServer 就是一個簡單的阻塞 I/O 例子，服務(wù)器啟動后，等待客戶端連接。在客戶端連接服務(wù)器后，服務(wù)器就阻塞讀寫取數(shù)據(jù)流。

EchoServer 代碼：

public class EchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;

public static void main(String[] args) throws IOException {

int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
try (
ServerSocket serverSocket =
new ServerSocket(port);
Socket clientSocket = serverSocket.accept(); 
PrintWriter out =
new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true); 
BufferedReader in = new BufferedReader(
new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
) {
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
out.println(inputLine);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println("Exception caught when trying to listen on port "
+ port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

改進(jìn)為“阻塞I/O+多線程”模式

使用多線程來支持多個客戶端來訪問服務(wù)器。

主線程 MultiThreadEchoServer.java

public class MultiThreadEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
Socket clientSocket = null;
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
while (true) {
clientSocket = serverSocket.accept();
// MultiThread
new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)).start();
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(
"Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

處理器類 EchoServerHandler.java

public class EchoServerHandler implements Runnable {
private Socket clientSocket;
public EchoServerHandler(Socket clientSocket) {
this.clientSocket = clientSocket;
}
@Override
public void run() {
try (PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));) {
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
out.println(inputLine);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

存在問題：每次接收到新的連接都要新建一個線程，處理完成后銷毀線程，代價大。當(dāng)有大量地短連接出現(xiàn)時，性能比較低。

改進(jìn)為“阻塞I/O+線程池”模式

針對上面多線程的模型中，出現(xiàn)的線程重復(fù)創(chuàng)建、銷毀帶來的開銷，可以采用線程池來優(yōu)化。每次接收到新連接后從池中取一個空閑線程進(jìn)行處理，處理完成后再放回池中，重用線程避免了頻率地創(chuàng)建和銷毀線程帶來的開銷。

主線程 ThreadPoolEchoServer.java

public class ThreadPoolEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
Socket clientSocket = null;
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
while (true) {
clientSocket = serverSocket.accept();
// Thread Pool
threadPool.submit(new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)));
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(
"Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

存在問題：在大量短連接的場景中性能會有提升，因為不用每次都創(chuàng)建和銷毀線程，而是重用連接池中的線程。但在大量長連接的場景中，因為線程被連接長期占用，不需要頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程，因而沒有什么優(yōu)勢。

雖然這種方法可以適用于小到中度規(guī)模的客戶端的并發(fā)數(shù)，如果連接數(shù)超過 100,000或更多，那么性能將很不理想。

改進(jìn)為“非阻塞I/O”模式

“阻塞I/O+線程池”網(wǎng)絡(luò)模型雖然比”阻塞I/O+多線程”網(wǎng)絡(luò)模型在性能方面有提升，但這兩種模型都存在一個共同的問題：讀和寫操作都是同步阻塞的,面對大并發(fā)（持續(xù)大量連接同時請求）的場景，需要消耗大量的線程來維持連接。CPU 在大量的線程之間頻繁切換，性能損耗很大。一旦單機的連接超過1萬，甚至達(dá)到幾萬的時候，服務(wù)器的性能會急劇下降。

而 NIO 的 Selector 卻很好地解決了這個問題，用主線程（一個線程或者是 CPU 個數(shù)的線程）保持住所有的連接，管理和讀取客戶端連接的數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)交給后面的線程池處理，線程池處理完業(yè)務(wù)邏輯后，將結(jié)果交給主線程發(fā)送響應(yīng)給客戶端，少量的線程就可以處理大量連接的請求。

Java NIO 由以下幾個核心部分組成：

• Channel

• Buffer

• Selector

要使用 Selector，得向 Selector 注冊 Channel，然后調(diào)用它的 select()方法。這個方法會一直阻塞到某個注冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新連接進(jìn)來，數(shù)據(jù)接收等。

主線程 NonBlokingEchoServer.java

public class NonBlokingEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
System.out.println("Listening for connections on port " + port);
ServerSocketChannel serverChannel;
Selector selector;
try {
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
serverChannel.bind(address);
serverChannel.configureBlocking(false);
selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
return;
}
while (true) {
try {
selector.select();
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
break;
}
Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
try {
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
System.out.println("Accepted connection from " + client);
client.configureBlocking(false);
SelectionKey clientKey = client.register(selector,
SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
clientKey.attach(buffer);
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
client.read(output);
}
if (key.isWritable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
output.flip();
client.write(output);
output.compact();
}
} catch (IOException ex) {
key.cancel();
try {
key.channel().close();
} catch (IOException cex) {
}
}
}
}
}
}

改進(jìn)為“異步I/O”模式

Java SE 7 版本之后，引入了異步 I/O （NIO.2） 的支持，為構(gòu)建高性能的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了一個利器。

主線程 AsyncEchoServer.java

public class AsyncEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
ExecutorService taskExecutor = Executors.newCachedThreadPool(Executors.defaultThreadFactory());
// create asynchronous server socket channel bound to the default group
try (AsynchronousServerSocketChannel asynchronousServerSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
if (asynchronousServerSocketChannel.isOpen()) {
// set some options
asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 4 * 1024);
asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_REUSEADDR, true);
// bind the server socket channel to local address
asynchronousServerSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
// display a waiting message while ... waiting clients
System.out.println("Waiting for connections ...");
while (true) {
Future<AsynchronousSocketChannel> asynchronousSocketChannelFuture = asynchronousServerSocketChannel
.accept();
try {
final AsynchronousSocketChannel asynchronousSocketChannel = asynchronousSocketChannelFuture
.get();
Callable<String> worker = new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
String host = asynchronousSocketChannel.getRemoteAddress().toString();
System.out.println("Incoming connection from: " + host);
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// transmitting data
while (asynchronousSocketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
asynchronousSocketChannel.write(buffer).get();
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
asynchronousSocketChannel.close();
System.out.println(host + " was successfully served!");
return host;
}
};
taskExecutor.submit(worker);
} catch (InterruptedException | ExecutionException ex) {
System.err.println(ex);
System.err.println("\n Server is shutting down ...");
// this will make the executor accept no new threads
// and finish all existing threads in the queue
taskExecutor.shutdown();
// wait until all threads are finished
while (!taskExecutor.isTerminated()) {
}
break;
}
}
} else {
System.out.println("The asynchronous server-socket channel cannot be opened!");
}
} catch (IOException ex) {
System.err.println(ex);
}
}
}

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