JAVA NIO原理剖析

Posted 2020-12-05 tspeking

本文不打算讲解BIO怎么用？NIO如何用？本文重点是NIO底层原理。

本文打算从以下几个方面讲解：

1、BIO通讯模型（网络方面）是什么？

2、NIO通讯模型（网络方面）是什么？解决了什么问题？

 

1. BIO通讯模型

模型解释：

BIO场景下，客户端（Client）发起连接请求，服务端接收到请求后，会分配一个业务线程处理这次访问，执行业务处理，写入响应流。

无论是服务端还是客户端，数据的读写都是阻塞的。比如，服务端收到客户端的请求，想要获取客户端传过来的请求参数，就会执行读操作，此时，如果由于网络原因导致客户端写入数据慢或者服务端接收数据慢，这个过程会非常耗时，此时应用线程就只能阻塞等待数据可读，这个过程会很浪费CPU资源的。并且，随着用户请求的增多，阻塞队列满了，而应用线程没有释放，就会导致后来的请求被抛弃，得不到处理。

为什么会出现这种情况？究其原因，服务端执行读数据的操作，本质上是CPU向操作系统内核发出一条指令，让操作系统通过TCP/IP协议，从网络读取数据到内核，再从内核到内存中。CPU执行指令速度非常快，而操作系统执行IO的速度远远赶不上CPU执行指令的速度，就会导致CPU时间的浪费。

 

2.NIO通讯模型

模型解释：

NIO场景下，客户端（Client）发起请求，服务端接收请求后，并不是直接分配业务线程处理这次请求，而是交给专门的IO线程（JAVA 中的Selector）读取请求流，当数据准备好以后，才会交给业务线程执行业务逻辑，最后交给IO线程写入响应流。

到这里，读者可能会有两个疑问？NIO模型下，IO线程会成为瓶颈？NIO解决了什么问题（与BIO相比）？

IO线程会成为瓶颈吗？这个问题得从IO线程的底层实现说起，NIO之所以是同步非阻塞，就是因为底层操作系统支持同步非阻塞，JVM只是通过系统调用本地方法实现同步非阻塞的（本质上是操作系统实现同步非阻塞，而JVM只是通过本地方法执行系统调用而已）。linux系统提供了epoll系统调用，epoll是基于事件驱动方式来实现的（也就是说，底层操作系统准备好了数据，以事件驱动的机制回调通知），而NIO中的Selector的select（）方法调用，是通过本地方调用epoll系统调用来实现非阻塞的，最大限度利CPU时间片，所以IO线程的瓶颈也就是硬件瓶颈。

NIO解决了什么问题？

通过单独的IO线程，当有可读、可写的事件发生的时候再去做读写操作，这个时候就不用像BIO那样一直阻塞等待在那，业务线程就可以被释放出来做更多的事情。说白了，提高了CPU利用率，让更少的线程做更多的事。