文章目录

  • 几个概念
  • NIO基础
  • 传统BIO模型
  • 伪异步IO模型
  • NIO模型
  • Channel（通道）
  • Buffer（缓冲区）
  • Selector（多路复用器）
  • AIO
  • 总结


几个概念

阻塞和非阻塞

阻塞与非阻塞是描述进程在访问某个资源时，数据是否准备就绪的的一种处理方式。当数据没有准备就绪时：

  • 阻塞：线程持续等待资源中数据准备完成，直到返回响应结果。
  • 非阻塞：线程直接返回结果，不会持续等待资源准备数据结束后才响应结果

同步与异步

同步与异步是指访问数据的机制。

同步一般指主动请求并等待IO操作完成的方式。

异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务，随后等待IO操作完毕的通知。

响水壶栗子

老张烧开水：

  • 普通水壶煮水，把水壶放到火上，立等水开。同步阻塞
  • 普通水壶煮水，去干点别的事，每过一段时间去看看水开了没有，水没开就走人。 同步非阻塞
  • 响水壶煮水，把响水壶放到火上，立等水开，如果水开了，水壶自动通知他。 异步阻塞
  • 响水壶煮水，去干点别的事，水壶响之前不再去看它了，如果水开了，水壶自动通知他。异步非阻塞

所谓同步异步，只是对于水壶而言。普通水壶，同步；响水壶，异步。
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。立等的老张，阻塞；去干点别的事的老张，非阻塞

情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用

NIO基础

传统BIO模型

传统BIO是一种同步的阻塞IO，IO在进行读写时，该线程将被阻塞，线程无法进行其它操作。

伪异步IO模型

以传统BIO模型为基础，通过线程池的方式维护所有的IO线程，实现相对高效的线程开销及管理。

NIO模型

NIO（JDK1.4）模型是一种同步非阻塞IO，主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector（多路复用器）。

传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。

Selector(多路复用器)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO（以下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。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。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。

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。

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）

NIO优点

  • 客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞；
  • SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样IO通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用；
  • 线程模型的优化：由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降。

NIO缺点

  • NIO类库和API复杂，使用麻烦
  • 需要具备Java多线程编程能力
  • 客户端断线重连、网络不稳定、半包读写、失败缓存、网络阻塞和异常码流等问题处理难度非常大
  • 存在部分BUG

Channel（通道）

传统IO操作对read()或write()方法的调用，可能会因为没有数据可读/可写而阻塞，直到有数据响应。也就是说读写数据的IO调用，可能会无限期的阻塞等待，效率依赖网络传输的速度。最重要的是在调用一个方法前，无法知道是否会被阻塞。

NIO的Channel抽象了一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，来实现非阻塞式的通道。

Channel是一个双向通道，与传统IO操作只允许单向的读写不同的是，NIO的Channel允许在一个通道上进行读和写的操作。

相关类：

  • FileChannel:文件
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel: UDP

Buffer（缓冲区）

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Buffer顾名思义，它是一个缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。

Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该模块内存。为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和limit。

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。见下图：

java 非阻塞io 面试 java nio阻塞和非阻塞_Java_02

  • capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续写数据。
  • position：当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。出事的position值为0，当写入一个字节数据到Buffer中后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity-1。当读取数据时，也是从某个特定位置读，讲Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，position向前移动到下一个可读的位置。
  • limit：在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

Buffer相关的API操作：

  • Buffer的分配：对Buffer对象的操作必须首先进行分配，Buffer提供一个allocate(int capacity)方法分配一个指定字节大小的对象
  • 向Buffer中写数据：写数据到Buffer中有两种方式
//1.从channel写到 Buffer
//将channel中的数据读取到buf中
int bytes = channel.read(buf); 

//2.通过Buffer的put()方法写到Buffer
//将数据通过put()方法写入到buf中
buf.put(byte);
  • flip()方法：将Buffer从写模式切换到读模式，调用flip()方法会将position设置为0，并将limit设置为之前的position的值
  • 从Buffer中读数据：从Buffer中读数据有两种方式
//1.从Buffer读取数据到Channel
//将buf中的数据读取到channel中
int bytes = channel.write(buf); 

//2.通过Buffer的get()方法读取数据
//从buf中读取一个byte
byte bt = buf.get();
  • rewind()方法：Buffer.rewind()方法将position设置为0，使得可以重读Buffer中的所有数据，limit保持不变。Buffer中的数据，读取完成后，依然保存在Buffer中，可以重复读取。
  • clear()与compact()方法：一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入，可以通过clear()或compact()方法完成。如果调用的是clear()方法，position将被设置为0，limit设置为capacity的值，但是Buffer并未被清空，只是通过这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer中写入多少数据。如果Buffer中还有一些未读的数据，调用clear()方法将被"遗忘 "。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设置到最后一个未读元素的后面，limit属性依然设置为capacity。可以使得Buffer中的未读数据还可以在后续中被使用。
  • mark()与reset()方法：通过调用Buffer.mark()方法可以标记一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()恢复到这个position上

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short

Selector（多路复用器）

Selector与Channel是相互配合使用的，将Channel注册在Selector上之后，才可以正确的使用Selector，但此时Channel必须为非阻塞模式。

Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用Selector, 得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

Selector可以监听Channel的四种状态（Connect、Accept、Read、Write），当监听到某一Channel的某个状态时，才允许对Channel进行相应的操作。

相关API：

  • Connect：某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”
  • Accept：一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”
  • Read：一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”
  • Write：等待写数据的通道可以说是“写就绪”

AIO

异步的IO操作，与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

  • AsynchronousSocketChannel
  • AsynchronousServerSocketChannel
  • AsynchronousFileChannel
  • AsynchronousDatagramChannel

总结

Java对BIO、NIO、AIO的支持：

  • Java BIO： 同步阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。
  • Java NIO： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。
  • Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

  • BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
  • NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
  • AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持