Java 中 BIO、NIO和 AIO的深入淺析

Java 中 BIO、NIO和 AIO的深入淺析？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細(xì)講解，有這方面需求的人可以來學(xué)習(xí)下，希望你能有所收獲。

Java 中的 BIO、NIO和 AIO 理解為是 Java 語言對操作系統(tǒng)的各種 IO 模型的封裝。程序員在使用這些 API 的時候，不需要關(guān)心操作系統(tǒng)層面的知識，也不需要根據(jù)不同操作系統(tǒng)編寫不同的代碼。只需要使用Java的API就可以了。

在講 BIO,NIO,AIO 之前先來回顧一下這樣幾個概念：同步與異步，阻塞與非阻塞。 同步與異步

• 同步： 同步就是發(fā)起一個調(diào)用后，被調(diào)用者未處理完請求之前，調(diào)用不返回。
• 異步： 異步就是發(fā)起一個調(diào)用后，立刻得到被調(diào)用者的回應(yīng)表示已接收到請求，但是被調(diào)用者并沒有返回結(jié)果，此時我們可以處理其他的請求，被調(diào)用者通常依靠事件，回調(diào)等機制來通知調(diào)用者其返回結(jié)果。 同步和異步的區(qū)別最大在于異步的話調(diào)用者不需要等待處理結(jié)果，被調(diào)用者會通過回調(diào)等機制來通知調(diào)用者其返回結(jié)果。
   

阻塞和非阻塞

• 阻塞： 阻塞就是發(fā)起一個請求，調(diào)用者一直等待請求結(jié)果返回，也就是當(dāng)前線程會被掛起，無法從事其他任務(wù)，只有當(dāng)條件就緒才能繼續(xù)。
• 非阻塞： 非阻塞就是發(fā)起一個請求，調(diào)用者不用一直等著結(jié)果返回，可以先去干其他事情。 舉個生活中簡單的例子，你媽媽讓你燒水，小時候你比較笨啊，在那里傻等著水開（同步阻塞）。等你稍微再長大一點，你知道每次燒水的空隙可以去干點其他事，然后只需要時不時來看看水開了沒有（同步非阻塞）。后來，你們家用上了水開了會發(fā)出聲音的壺，這樣你就只需要聽到響聲后就知道水開了，在這期間你可以隨便干自己的事情，你需要去倒水了（異步非阻塞）。
   

BIO (Blocking I/O)

同步阻塞I/O模式，數(shù)據(jù)的讀取寫入必須阻塞在一個線程內(nèi)等待其完成。

傳統(tǒng) BIO

BIO通信（一請求一應(yīng)答）模型圖如下(圖源網(wǎng)絡(luò)，原出處不明)：

采用 BIO 通信模型 的服務(wù)端，通常由一個獨立的 Acceptor 線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接。我們一般通過在while(true) 循環(huán)中服務(wù)端會調(diào)用 accept() 方法等待接收客戶端的連接的方式監(jiān)聽請求，請求一旦接收到一個連接請求，就可以建立通信套接字在這個通信套接字上進行讀寫操作，此時不能再接收其他客戶端連接請求，只能等待同當(dāng)前連接的客戶端的操作執(zhí)行完成， 不過可以通過多線程來支持多個客戶端的連接，如上圖所示。

如果要讓 BIO 通信模型 能夠同時處理多個客戶端請求，就必須使用多線程（主要原因是socket.accept()、socket.read()、socket.write() 涉及的三個主要函數(shù)都是同步阻塞的），也就是說它在接收到客戶端連接請求之后為每個客戶端創(chuàng)建一個新的線程進行鏈路處理，處理完成之后，通過輸出流返回應(yīng)答給客戶端，線程銷毀。這就是典型的 一請求一應(yīng)答通信模型 。我們可以設(shè)想一下如果這個連接不做任何事情的話就會造成不必要的線程開銷，不過可以通過 線程池機制 改善，線程池還可以讓線程的創(chuàng)建和回收成本相對較低。使用FixedThreadPool 可以有效的控制了線程的最大數(shù)量，保證了系統(tǒng)有限的資源的控制，實現(xiàn)了N(客戶端請求數(shù)量):M(處理客戶端請求的線程數(shù)量)的偽異步I/O模型（N 可以遠遠大于 M），下面一節(jié)"偽異步 BIO"中會詳細(xì)介紹到。

我們再設(shè)想一下當(dāng)客戶端并發(fā)訪問量增加后這種模型會出現(xiàn)什么問題？

在 Java 虛擬機中，線程是寶貴的資源，線程的創(chuàng)建和銷毀成本很高，除此之外，線程的切換成本也是很高的。尤其在 Linux 這樣的操作系統(tǒng)中，線程本質(zhì)上就是一個進程，創(chuàng)建和銷毀線程都是重量級的系統(tǒng)函數(shù)。如果并發(fā)訪問量增加會導(dǎo)致線程數(shù)急劇膨脹可能會導(dǎo)致線程堆棧溢出、創(chuàng)建新線程失敗等問題，最終導(dǎo)致進程宕機或者僵死，不能對外提供服務(wù)。

偽異步 IO

為了解決同步阻塞I/O面臨的一個鏈路需要一個線程處理的問題，后來有人對它的線程模型進行了優(yōu)化一一一后端通過一個線程池來處理多個客戶端的請求接入，形成客戶端個數(shù)M：線程池最大線程數(shù)N的比例關(guān)系，其中M可以遠遠大于N.通過線程池可以靈活地調(diào)配線程資源，設(shè)置線程的最大值，防止由于海量并發(fā)接入導(dǎo)致線程耗盡。

偽異步IO模型圖(圖源網(wǎng)絡(luò)，原出處不明)：

采用線程池和任務(wù)隊列可以實現(xiàn)一種叫做偽異步的 I/O 通信框架，它的模型圖如上圖所示。當(dāng)有新的客戶端接入時，將客戶端的 Socket 封裝成一個Task（該任務(wù)實現(xiàn)java.lang.Runnable接口）投遞到后端的線程池中進行處理，JDK 的線程池維護一個消息隊列和 N 個活躍線程，對消息隊列中的任務(wù)進行處理。由于線程池可以設(shè)置消息隊列的大小和最大線程數(shù)，因此，它的資源占用是可控的，無論多少個客戶端并發(fā)訪問，都不會導(dǎo)致資源的耗盡和宕機。

偽異步I/O通信框架采用了線程池實現(xiàn)，因此避免了為每個請求都創(chuàng)建一個獨立線程造成的線程資源耗盡問題。不過因為它的底層仍然是同步阻塞的BIO模型，因此無法從根本上解決問題。

代碼示例

下面代碼中演示了BIO通信（一請求一應(yīng)答）模型。我們會在客戶端創(chuàng)建多個線程依次連接服務(wù)端并向其發(fā)送"當(dāng)前時間+:hello world"，服務(wù)端會為每個客戶端線程創(chuàng)建一個線程來處理。代碼示例出自閃電俠的博客，原地址如下：

客戶端

/**
 * 
 * @author 閃電俠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description:客戶端
 */
public class IOClient {

 public static void main(String[] args) {
  // TODO 創(chuàng)建多個線程，模擬多個客戶端連接服務(wù)端
  new Thread(() -> {
   try {
    Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 3333);
    while (true) {
     try {
      socket.getOutputStream().write((new Date() + ": hello world").getBytes());
      Thread.sleep(2000);
     } catch (Exception e) {
     }
    }
   } catch (IOException e) {
   }
  }).start();

 }

}

服務(wù)端

/**
 * @author 閃電俠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description: 服務(wù)端
 */
public class IOServer {

 public static void main(String[] args) throws IOException {
  // TODO 服務(wù)端處理客戶端連接請求
  ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(3333);

  // 接收到客戶端連接請求之后為每個客戶端創(chuàng)建一個新的線程進行鏈路處理
  new Thread(() -> {
   while (true) {
    try {
     // 阻塞方法獲取新的連接
     Socket socket = serverSocket.accept();

     // 每一個新的連接都創(chuàng)建一個線程，負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)
     new Thread(() -> {
      try {
       int len;
       byte[] data = new byte[1024];
       InputStream inputStream = socket.getInputStream();
       // 按字節(jié)流方式讀取數(shù)據(jù)
       while ((len = inputStream.read(data)) != -1) {
        System.out.println(new String(data, 0, len));
       }
      } catch (IOException e) {
      }
     }).start();

    } catch (IOException e) {
    }

   }
  }).start();

 }

}

總結(jié)

在活動連接數(shù)不是特別高（小于單機1000）的情況下，這種模型是比較不錯的，可以讓每一個連接專注于自己的 I/O 并且編程模型簡單，也不用過多考慮系統(tǒng)的過載、限流等問題。線程池本身就是一個天然的漏斗，可以緩沖一些系統(tǒng)處理不了的連接或請求。但是，當(dāng)面對十萬甚至百萬級連接的時候，傳統(tǒng)的 BIO 模型是無能為力的。因此，我們需要一種更高效的 I/O 處理模型來應(yīng)對更高的并發(fā)量。

NIO (no blocking io 也叫 new io)

NIO 即非阻塞IO，是JDK 1.4 更新的api， 核心內(nèi)容是 將建立連接、數(shù)據(jù)可讀、可寫等事件交給了操作系統(tǒng)來維護， 通過調(diào)用操作系統(tǒng)的 api （如：select、epoll等）,來判斷當(dāng)前是否支持：可讀、可寫，如果當(dāng)前不可操作，那么直接返回，從而實現(xiàn)了非阻塞。 而不需要像 BIO 那樣每次去輪詢等待連接的建立以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備是否完成。主要核心的模塊分以下幾類：

1. 緩沖區(qū)Buffer

一個特定基類（byte、short、int、long 等）的數(shù)據(jù)容器，用作在建立socket 連接之后的數(shù)據(jù)傳輸。
通過 capacity, limit, position,mark 指針來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫

get()、put() 方法為每個子類都具有的讀、寫數(shù)據(jù)的api方法，當(dāng)從當(dāng)前的 position 讀或?qū)懙耐瑫r，position會增加 相應(yīng)讀寫的數(shù)據(jù)的長度。當(dāng)position 達到limit 之后，再次 get、put則會拋出異常

2. Channel 連接通道

一個 channel 代表一個與“實體”的連接通道，如：硬件設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò) socket 。通過連接通道可以使得客戶端-服務(wù)器互相傳輸數(shù)據(jù)，因此通道也是全雙工的（因為是建立在TCP 傳輸層的協(xié)議上，因此具備全雙工的能力）。

JDK 中 channel 可以分為以下幾類：

SelectableChannel 用于 阻塞和非阻塞 socket 連接的通道
FileChannel 用于文件操作，包括：reading, writing, mapping, and manipulating a file

3.Selector 多路復(fù)用選擇器

用于 SelectableChannel 的多路復(fù)用器，當(dāng)使用非阻塞的 socket 時，需要將監(jiān)聽的通道 SelectableChannel 感興趣的事件注冊到 selector 多路復(fù)用器上（selector 實際上是通過調(diào)用操作系統(tǒng)層面的 select、epoll 方法來獲取當(dāng)前可用的時間）

與之對應(yīng)的感興趣的事件用 SelectionKey 來表示

• OP_READ = 1 << 0; 可讀
• OP_WRITE = 1 << 2; 可寫
• OP_CONNECT = 1 << 3; // 完成連接
• OP_ACCEPT = 1 << 4; // 接收連接
   

處理流程圖：

代碼示例：

1. 通過 ServerSocketChannel 監(jiān)聽 8082 端口
2. 設(shè)置為非阻塞
3. 選擇與操作系統(tǒng)適配的選擇器，serverSocketChannel 的 OP_ACCEPT 事件注冊到 selector 選擇器上
4. 當(dāng)OP_ACCEPT 事件觸發(fā)時，將所有建立好的Socketchannel 連接的感興趣的事件（這里為 read事件）再次注冊到Selector 上

    // 1.根據(jù)操作系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)牡讓?io復(fù)用方法
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8082));
    //2.設(shè)置為非阻塞
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    //3.選擇與操作系統(tǒng)適配的選擇器
    Selector selector = Selector.open();
    //將 serverSocket 的OP_ACCEPT 事件注冊到 selector 選擇器上
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    while (true) {
      // 4.監(jiān)聽當(dāng)前連接建立情況
      int select = selector.select();
      if (select > 0) {
        //判斷連接業(yè)務(wù)類型
        Set<SelectionKey> set = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = iterator.next();
          iterator.remove();
          //建立連接
          if (key.isAcceptable()) {
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //通過 accept 方法獲取與 server端 已經(jīng)創(chuàng)建好的 socket連接
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            //設(shè)置為非阻塞
            sc.configureBlocking(false);
            //注冊感興趣的事件為 READ
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          }
          //可讀
          else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            socket.read(byteBuffer);
            System.out.println(new String(byteBuffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
            key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
          }
          //可寫
          else if (key.isWritable()) {
            SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
            socket.write(ByteBuffer.wrap("I'm receive your message".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
            socket.close();
            System.out.println("連接關(guān)閉成功！");
          }
        }
      }
    }

AIO（asynchronous io）

NIO 2.0引入了新的異步通道的概念，并提供了異步文件通道和異步套接字通道的實現(xiàn)。
異步的套接字通道時真正的異步非阻塞I/O，對應(yīng)于UNIX網(wǎng)絡(luò)編程中的事件驅(qū)動I/O（AIO）。他不需要過多的Selector對注冊的通道進行輪詢即可實現(xiàn)異步讀寫，從而簡化了NIO的編程模型。

代碼示例

  private static void server() throws IOException {
    //根據(jù)操作系統(tǒng)建立對應(yīng)的底層操作類
    AsynchronousServerSocketChannel channel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
    channel.bind(new InetSocketAddress(8082));
    while (true) {
      Future<AsynchronousSocketChannel> future = channel.accept();
      try {
        AsynchronousSocketChannel asc = future.get();
        System.out.println("建立連接成功");
        Future<Integer> write = asc.write(ByteBuffer.wrap("Now let's exchange datas".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        while (!write.isDone()) {
          TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        }
        System.out.println("發(fā)送數(shù)據(jù)完成");
        asc.close();
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

  private static void client() throws Exception {
    AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
    Future<Void> future = socketChannel.connect(new InetSocketAddress(8082));
    while (!future.isDone()) {
      TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    }
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    Future<Integer> read = socketChannel.read(buffer);
    while (!read.isDone()) {
      TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    }
    System.out.println("接收服務(wù)器數(shù)據(jù):" + new String(buffer.array(), 0, read.get()));
  }

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