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当前文章 : 《IO，NIO和AIO》

10/8/2019 —— 

  Java  IO 

IO和NIO

NIO简介

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO主要用到的是块，所以NIO的效率要比IO高很多。

IO与NIO对比

IO NIO
面向流 面向缓冲
阻塞IO 同步非阻塞IO
无 选择器

流与缓冲

  • Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。
  • Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞IO与非阻塞IO

  • Java 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的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 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。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

选择器

  • Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

区别总结

我们使用BIO的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而NIO则是使用单线程或者只使用少量的多线程，多个连接共用一个线程。 NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

但是，在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，因为NIO是同步的，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题

NIO特点

  • NIO是基于块（Block）的，它以块为基本单位处理数据 （硬盘上存储的单位也是按Block来存储，这样性能上比基于流的方式要好一些）
  • 为所有的原始类型提供（Buffer）缓存支持
  • 增加通道（Channel）对象，作为新的原始 I/O 抽象
  • 支持锁（我们在平时使用时经常能看到会出现一些.lock的文件，这说明有线程正在使用这把锁，当线程释放锁时，会把这个文件删除掉，这样其他线程才能继续拿到这把锁）和内存映射文件的文件访问接口
  • 提供了基于Selector的异步网络I/O

NIO的几个重要组成部分

缓冲区

缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。

在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

缓冲区的属性：

  • 容量（Capacity）：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一个容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能改变。
  • 上界(Limit)：缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说,缓冲区中现存元素的计数。
  • 位置(Position)：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。
  • 标记(Mark)：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新。
通道

通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：

NIO读取数据的步骤：

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 将数据从Channel读取到Buffer中

使用NIO写入数据的步骤：

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 将数据从Channel写入到Buffer中
选择器

传统C/S架构的弊端：

传统的 server / client 模式会基于 TPR ( Thread per Request ) ．服务器会为每个客户端请求建立一个线程．由该线程单独负贵处理一个客户请求。这种模式带未的一个问题就是线程数是的剧增．大量的线程会增大服务器的开销，大多数的实现为了避免这个问题，都采用了线程池模型，并设置线程池线程的最大数量，这又带来了新的问题，如果线程池中有 200 个线程，而有 200 个用户都在进行大文件下载，会导致第 201 个用户的请求无法及时处理，即便第 201 个用户只想请求一个几 KB 大小的页面。

NIO的原理

NIO 中非阻塞IO采用了基于Reactor模式的工作方式，IO调用不会被阻塞，相反是注册感兴趣的特点IO事件，如可读数据到达，新的套接字等等，在发生持定率件时，系统再通知我们。 NlO中实现非阻塞IO的核心设计Selector，Selector就是注册各种IO事件的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件。

使用NIO中非阻塞IO编写服务器处理程序的步骤：

  1. 向Selector对象注册感兴趣的事件
  2. 从Selector中获取感兴趣的事件
  3. 根据不同事件进行相应的处理

AIO

AIO简介

也叫做异步非阻塞I/O(AIO)，用户程序可以通过向内核发出I/O请求命令，不用等带I/O事件真正发生，可以继续做 另外的事情，等I/O操作完成，内核会通过函数回调或者信号机制通知用户进程。这样很大程度提高了系统吞吐量。AIO 背后的基本思想是允许进程发起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到 I/O 操作完成的通知时，进程就可以检索 I/O 操作的结果。

参考

BIO、NIO和AIO的原理和应用

聊聊BIO、NIO和AIO以及select、poll和epoll的原理