详解 同步异步阻塞非阻塞 与 BIO NIO AIO区别多路复用

Posted 2023-03-04

(目录)

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一、IO 介绍

IO的全称其实是：Input/Output的缩写

传统的 IO 大致可以分为 4种类型：

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那内核是如何进行IO交互的呢？

对应抽象到java的socket代码简单示例如下：

public class SocketServer 
  public static void main(String[] args) throws Exception 
    // 监听指定的端口
    int port = 8080;
    ServerSocket server = new ServerSocket(port);
    // server将一直等待连接的到来
    Socket socket = server.accept();
    // 建立好连接后，从socket中获取输入流，并建立缓冲区进行读取
    InputStream inputStream = socket.getInputStream();
    byte[] bytes = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) 
      //获取数据进行处理
      String message = new String(bytes, 0, len,"UTF-8");
    
    // 省略……
  

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二、同步与异步

同步 和 异步 指的是：

假设我们的执行流程中：依次是方法一和方法二

同步与异步是从多个线程之间的协调来实现效率差异

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三、阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞 主要是从 CPU 的消耗上来说：

虽然表面上看 非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

阻塞与非阻塞关注的是线程是否在原地等待

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四、BIO NIO AIO

1. BIO

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2. NIO

NIO也叫Non-Blocking IO 是同步非阻塞的IO模型。

Java中的NIO 是new IO的意思。其实是NIO加上IO多路复用技术。普通的NIO是线程轮询查看一个IO缓冲区是否就绪，而Java中的new IO指的是线程轮询地去查看一堆IO缓冲区中哪些就绪，这是一种IO多路复用的思想。IO多路复用模型中，将检查IO数据是否就绪的任务，交给系统级别的select或epoll模型，由系统进行监控，减轻用户线程负担。

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3. AIO

AIO是真正意义上的异步非阻塞IO模型。

AIO可以做到真正的异步的操作，但实现起来比较复杂，支持纯异步IO的操作系统非常少，目前也就windows是IOCP技术实现了，而在Linux上，底层还是是使用的epoll实现的。

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总结：

举个例子：

哪种方式更有效率呢？是不是一目了然呢？

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五、Socket 和 NIO 的多路复用

1. 传统的 Socket 实现

代码如下：

int port = 4343; //端口号
// Socket 服务器端（简单的发送信息）
Thread sThread = new Thread(new Runnable() 
    @Override
    public void run() 
        try 
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
            while (true) 
                // 等待连接
                Socket socket = serverSocket.accept();
                Thread sHandlerThread = new Thread(new Runnable() 
                    @Override
                    public void run() 
                        try (PrintWriter printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream())) 
                            printWriter.println("hello world！");
                            printWriter.flush();
                         catch (IOException e) 
                            e.printStackTrace();
                        
                    
                );
                sHandlerThread.start();
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    
);
sThread.start();

// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) 
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
    bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("客户端：" + s));
 catch (UnknownHostException e) 
    e.printStackTrace();
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

• 调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接；
• 利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取和打印；

以上的流程，如下图：

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2. NIO 多路复用

介于以上高并发的问题，NIO 的多路复用功能就显得意义非凡了。

// NIO 多路复用
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(4, 4,
        60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
threadPool.execute(new Runnable() 
    @Override
    public void run() 
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) 
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) 
                selector.select(); // 阻塞等待就绪的Channel
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) 
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    try (SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()) 
                        channel.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界"));
                    
                    iterator.remove();
                
            
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
        
    
);

// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) 
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
    bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("NIO 客户端：" + s));
 catch (IOException e) 
    e.printStackTrace();

下面的图，可以有效的说明 NIO 复用的流程：

就这样 NIO 的多路复用就大大提升了服务器端响应高并发的能力。

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