I/O模型

Posted 2022-12-10 lisin-lee-cooper

一.Java BIO
1.1同步并阻塞（传统阻塞型），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

1.2解决处理多个客户的请求：开启线程或线程池处理客户端连接请求；

1.3缺点：
每个Socket接收到，都会创建一个线程，线程的竞争、切换上下文影响性能；
每个线程都会占用栈空间和CPU资源；
并不是每个socket都进行lO操作，无意义的线程处理；
客户端的并发访问增加时。服务端将呈现1:1的线程开销，访问量越大，系统将发生线程栈溢出，
线程创建失败，最终导致进程宕机或者僵死，从而不能对外提供服务。

使用线程池：
伪异步旧采用了线程池实现，因此避免了为每个请求创建一个独立线程造成线程资源耗尽的问题，
但由于底层依然是采用的同步阻塞模型，因此无法从根采上解决问题。
如果单个消息处理的缓慢，或者服务器线程池中的全部线程都被阻塞，那么后续socket的I/O消息
都将在队列 中排队。新的Socket请求将被拒绝，客户端会发生大量连接超时。

二.java NIO

2.1Java NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），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请求就进行处理

2.2 NIO有三大核心部分：Channel(通道)，Buufer(缓存区)，Selector(选择器)

Buffer缓存区
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，用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作，Buffer API更加容易操作和管理；
直接与非直接缓存区
byte buffer。可以是两种类型，一种是基于直接内存（也就是非堆内存）；另一种是非直接内存（也就
是堆内 存）。对于直接内存来说，JVM将会在IO操作上具有更高的性能，因为它直接作用于本地系统的
IO操作。而非直接 内存，也就是堆内存中的数据，如果要作IO操作，会先从本进程内存复制到直接内
存，再利用本地IO处理。
从数据流的角度，非直接内存是下面这样的作用链：
本地IO—>直接内存—>非直接内存—>直接内存—>本地IO

Channel通道
Java NIO的通道类似流，但又有些不同：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的（(input或 output)读写通常是单向的。通道可以非阻塞读取和写入通道，通道可以支持读取或写入缓冲区，也支持异步地读写；

Selector选择器
Selector是一个java NIO组件，可以能够检查一个或多个NIO通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接，提高效率。

2.3 NIO模型

每个channel都会对应一个Buffer；
一个线程对应Selector，一个Selector对应多个channel（连接）；
程序切换到哪个channel是由事件决定的；
Selector会根据不同的事件，在各个通道上切换；
Buffer就是一个内存块，底层是一个数组；
数据的读取写入是通过Buffer完成的，BIO中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是NIO的Buffer是可以读也可以写；
Java NIO系统的核心在于：通道（Channel）和缓存区（Buffer)。通道表示打开到IO设备（例如：文件、套接字） 的连接。若需要使用NlO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓 冲区，对数据进行处理。简而言之，Channel负责传输，Buffer负责存取数据。

NIO和BIO的比较：

BlO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据，块I/O的效率比流I/O高很多
BlO是阻塞的，NIO则是非阴塞的
BlO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel(通道）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(选择器）用于监听多个通道
的事件（比如：连接请 求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

三.java AIO

java AIO(NIO.2)：异步异步非阻塞，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，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用；

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，对于读操作而言，当有流可读时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，对于写操作而言，当操作系统将 write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序 。即可以理解为read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。

四.BIO、NIO、AIO对比

Java BlO：同步并阻塞，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(N 10.2)：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：

BlO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；

AlO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。