Java IO 基础

Posted 2020-10-04 时间的朋友

早上复习了IO、NIO、AIO相关的概念，将其中一些要点记录一下。

从编程语言层面

BIO | NIO | AIO 以Java的角度，理解，linux c里也有AIO的概念(库)，这些概念不知道什么原因被炒火起来，这里只从Java角度入手。

• BIO，同步阻塞式IO，简单理解：一个连接一个线程
• NIO，同步非阻塞IO，简单理解：一个请求一个线程
• AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程

BIO

在JDK1.4之前，用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，然后，客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理，如果没有，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

NIO

在Java里的由来，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O，我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成：缓冲区（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候，需要区分，说的是New I/O还是非阻塞IO,New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题： 在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。 也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

AIO

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，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；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。 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

其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。

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实现原理

说道实现原理，还要从操作系统的IO模型上了解

按照《Unix网络编程》的划分，IO模型可以分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步IO和异步IO。如何区分呢？首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

收到操作系统的IO模型，又不得不提select/poll/epoll/iocp，关于这四个的理解，不多做解释，自己还没理解到位。

可以理解的说明是：在Linux 2.6以后，java NIO的实现，是通过epoll来实现的，这点可以通过jdk的源代码发现。而AIO，在windows上是通过IOCP实现的，在linux上还是通过epoll来实现的。

这里强调一点：AIO，这是I/O处理模式，而epoll等都是实现AIO的一种编程模型；换句话说，AIO是一种接口标准，各家操作系统可以实现也可以不实现。在不同操作系统上在高并发情况下最好都采用操作系统推荐的方式。Linux上还没有真正实现网络方式的AIO。

https://my.oschina.net/bluesky0leon/blog/132361

IO一般发生在读写硬盘或网络文件，涉及到多个部分的请求调用，简单说是对请求调用双方的处理情况。阻塞非阻塞就是指请求调用时请求方是否释放cpu资源一直等结果，若是请求方就被阻赛，否则为非阻赛。而异步同步是指被请求方是否会同步返回结果，还是先告知已接受到请求，处理完请求后将结果告知请求方。

BIO可看作一个连接一个线程，而NIO、AIO是一个有限请求一个连接。

io最老
nio是1.4的特性
aio是1.7的特性
io是面向流的，是就用多少拿多少。是阻塞的。数据量不大的或者不在意阻塞的时可以用。
nio是面向块的，先把数据搬过来，先存到缓存区里面，如果线程要用从缓存区拿。所以线程不需要时刻盯着io了，可以先做一些其他的事情，过几天再来看一下缓存。是同步非阻塞的。因此，nio里有Buffer类作为缓冲区，Channel(通道)相当于io里的steam的抽象，Selector是nio提供的管理多个Channel的工具。nio出现也是因为io渐渐成为一些程序速度的瓶颈。
aio加了一个异步的特性。当我们要拿数据花费时间太长的时候，我们可以考虑使用异步的io。异步就是可以理解为，让io先处理者，我线程先去干别的事情了，你io处理完了通知我一下。aio提供的事件处理接口CompletionHandler，定义了回调函数，这些函数再io完成后会被自动的调用。

作者：rail gun
链接：https://www.zhihu.com/question/40930889/answer/146567853