Java IO编程全解——4种I/O的对比与选型

Posted 2020-10-13 Joanna.Yan

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　　前面讲到：Java IO编程全解（五）——AIO编程

　　为了防止由于对一些技术概念和术语的理解或者叫法不一致而引起歧义，这里对涉及到的专业术语或者技术用语做下声明：如果它们与其他一些地方的称呼不一致，请以本解释为准。

异步非阻塞I/O

　　很多人喜欢将JDK1.4提供的NIO框架成为异步非阻塞I/O，但是，如果严格按照UNIX网络编程模型和JDK的实现进行区分，实际上它只能被称为非阻塞I/O，不能叫异步非阻塞I/O。在早期的JDK1.4和1.5 update10版本之前，JDK的Selector基于select/poll模型实现，它是基于I/O复用技术的非阻塞I/O，不是异步I/O。在JDK1.5 update10和Linux core2.6以上版本，Sun优化了Selector实现，它在底层使用epoll替换了select/poll，上层的API并没有变化，可以认为是JDK NIO的一次性能优化，但是它仍旧没有改变I/O的模型。

　　由JDK1.7提供的NIO 2.0，新增了异步的套接字通道，它是真正的异步I/O，在异步I/O操作的时候可以传递信号变量，当操作完成之后会回调相关的方法，异步I/O也被称为AIO。

　　NIO类库支持非阻塞读和写操作，相比于之前的同步阻塞读和写，它是异步的，NIO类库支持非阻塞读和写操作，相比于之前的同步阻塞读和写，它是一部的，因此很多人习惯称NIO为异步非阻塞I/O，包括很多介绍NIO编程的书籍也沿用了这个说法。为了符合大家的习惯，这里也会将NIO称为异步非阻塞I/O或者非阻塞I/O。请大家理解，不要过分纠结在一些技术术语的咬文嚼字上。

多路复用器Selector　

　　几乎所有的中文技术书籍都将Selector翻译为选择器，但是实际上我认为这样的翻译并不恰当，选择器仅仅是字面上的意思，体现不出Selector的功能和特点。

　　前面介绍过Java NIO的实现关键是多路复用I/O技术，多路复用的核心就是通过Selector来轮询注册在其上的Channel，当发现某个或者多个Channel处于就绪状态后，从阻塞状态返回就绪的Channel的选择键集合，进行I/O操作。由于多路复用器是NIO实现非阻塞I/O的关键，它又是主要通过Selector实现的，所以这里将Selector翻译为多路复用器，与其他技术书籍所说的选择器是同一个东西，请大家了解。

伪异步I/O

　　伪异步的概念完全来源于实现。在JDK NIO编程没有流行之前，为了解决Tomcat通信线程同步I/O导致业务线程被挂住的问题，大家想到了一个办法：在通信线程和业务线程之前做个缓冲区，这个缓冲区用于隔离I/O线程和业务线程间的直接访问，这样业务线程就不会被I/O线程阻塞。而对于后端的业务侧来说，将消息或者Task放到线程池后就返回了，它不再直接访问I/O线程或者进行I/O读写，这样就不会被同步阻塞。类似的设计还包括前端启动一组线程，将接收到的客户端封装成Task，放到后端的线程池执行，用于解决一连接一线程问题。像这样通过线程池做缓冲区的做法，这里习惯于称它为伪异步I/O，而官方并没有伪异步I/O这种说法，请大家注意。

1. 不同I/O模型对比

　　不同的I/O模型由于线程模型、API等差别很大，所以用法的差异也非常大。

　　实际开发中，具体选择什么样的I/O模型或者NIO框架，完全基于业务的实际应用场景和性能诉求，如果客户端并发连接数不多，周边对接的网元不多，服务器的负载也不重，那就完全没必要选择NIO做服务器；如果是相反情况，那就要考虑选择合适的NIO框架进行开发。

2.选择Netty的理由

　　开发出高质量的NIO程序并不是一件简单的事情，除去NIO固有的复杂性和BUG不谈，作为一个NIO服务器，需要能够处理网络的闪断、客户端的重复接入、客户端的安全认证、消息的编解码、半包读写等情况，如果你没有足够的NIO编程经验积累，一个NIO框架的稳定往往需要半年甚至更长的时间。更为糟糕的是，一旦在生产环境中发生问题，往往会导致跨节点的服务调用中断，严重的可能会导致整个集群环境都不可用，需要重启服务器，这种非正常停机会带来巨大的损失。

　　从可维护性角度看，由于NIO采用了异步非阻塞编程模型，而且是一个I/O线程处理多条链路，它的调试和跟踪非常麻烦，特别是生产环境中的问题，我们无法进行有效的调试和跟踪，往往只能靠一些日志来辅助分析，定位难度很大。

2.1不选择Java原生NIO编程的原因

　　现在我们总结一下我们不建议开发者直接使用JDK的NIO类库进行开发，具体原因如下。

1. NIO的类库和API繁杂，使用麻烦，你需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。
2. 需要具备其他的额外技能做铺垫，例如熟悉Java多线程编程。这是因为NIO编程设计到Reactor模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序。
3. 可靠性能力补齐，工作量和难度都非常大。例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处理等问题，NIO编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐的工作量和难度都非常大。
4. JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU100%，官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生频率降低了一些而已，它并没有被根本解决。

　　由于上述原因，在大多数场景下，不建议大家直接使用JDK的NIO类库，除非你精通NIO编程或者有特殊的需求。在绝大多数的业务场景中，我们可以使用NIO框架Netty来进行NIO编程，它既可以作为客户端也可以作为服务端，同时支持UDP和异步文件传输，功能非常强大。

2.2为什么选择Netty

　　Netty是业界最流行的NIO框架之一，它的健壮性、功能、性能、可定制性和可扩展性在同类框架中都是首屈一指的，它已经得到成百上千的商业项目验证，例如Hadoop的RPC框架avro使用Netty作为底层通信框架；很多其他业界主流的RPC框架，也使用Netty来构建高性能的异步通信能力。

　　Netty的优点总结如下：

• API使用简单，开发门槛低；
• 功能强大，预置了多种编解码功能，支持多种主流协议；
• 定制能力强，可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活地扩展；
• 性能高，通过与其他业界主流的NIO框架对比，Netty的综合性能最优；
• 成熟、稳定，Netty修复了已经发现的所有JDK NIO BUG，业务开发人员不需要再为NIO的BUG而烦恼；
• 社区活跃，版本迭代周期短，发现的BUG可以被及时修复，同时，更多的新功能会加入；
• 经历了大规模的商业应用考验，质量得到验证。在互联网、大数据、网络游戏、企业应用、电信软件等众多行业得到成功商用，证明了它已经完全能够满足不同行业的商业应用了。

　　正是因为这些优点，Netty逐渐成为Java NIO编程的首选框架。

Netty（一）——Netty入门程序

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