Java BIONIOAIO

Posted 2021-02-20 sw_kong

网络编程的基本模型是Client/Server模型，也就是两个进程之间进行相互通信，其中服务端提供位置信息（绑定的IP地址和监听端口），客户端通过连接操作向服务端监听的地址发起连接请求，通过三次握手建立连接，如果连接建立成功，双方就可以通过网络套接字（Socket）进行通信。

IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。

BIO

在JDK1.4出来之前，我们建立网络连接的时候采用BIO模式，BIO网络通信方式就是服务端创建一个ServerSocket，然后客户端用一个Socket去连接那个ServerSocket，然后ServerSocket接收到一个Socket的连接请求就创建一个Socket和一个线程去跟那个Socket进行通信。

然后客户端和服务端的socket，就进行同步阻塞式的通信，客户端socket发送一个请求，服务端socket进行处理后返回响应，响应必须是等处理完后才会返回，在这之前啥事儿也干不了，这可不就是同步么。

这种方式最大的坑在于，每次一个客户端接入，都是要在服务端创建一个线程来服务这个客户端，另外每创建一个线程，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。这会导致当存在大量的客户端的时候，服务端的线程数量可能达到几千甚至几万，几十万，这会导致服务器端程序的负载过高，最后崩溃死掉。

 

 

NIO

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决上述BIO的大并发问题

NIO基于Reactor模式，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知应用程序进行处理，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。

BIO与NIO一个比较重要的不同，是我们使用BIO的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而NIO则是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程。

传统IO与NIO的对比

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到selector（多路复用器）上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

NIO中有一些概念：

Buffer，缓冲区的概念，一般都是将数据写入Buffer中，然后从Buffer中读取数据，有IntBuffer、LongBuffer、CharBuffer等很多种针对基础数据类型的Buffer。

Channel，NIO中都是通过Channel来进行数据读写的。

Selector，这是多路复用器，selector会不断轮询注册的channel，如果某个channel上发生了读写事件，selector就会将这些channel获取出来，我们通过SelectionKey获取有读/写事件的channel，就可以进行IO操作。一个Selector可以通过一个线程来轮询成千上万的channel，每次就获取一批有事件的channel，然后对每个请求启动一个线程处理即可。

 

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

HTTP/1.1出现后，有了Http长连接，这样除了超时和指明特定关闭的http header外，这个链接是一直打开的状态的，这样在NIO处理中可以进一步的进化，在后端资源中可以实现资源池或者队列，当请求来的话，开启的线程把请求和请求数据传送给后端资源池或者队列里面就返回，并且在全局的地方保持住这个现场(哪个连接的哪个请求等)，这样前面的线程还是可以去接受其他的请求，而后端的应用的处理只需要执行队列里面的就可以了，这样请求处理和后端应用是异步的.当后端处理完，到全局地方得到现场，产生响应，这个就实现了异步处理

AIO

基于Proactor模型实现，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。

 

阻塞、非阻塞、同步、异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。而阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

一般来说I/O模型可以分为：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞IO

同步阻塞IO：在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！

同步非阻塞IO:在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

异步阻塞IO：此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

异步非阻塞IO:在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。

 

Blocking vs. Non-blocking IO

Java IO\'s various streams are blocking. That means, that when a thread invokes a read() or write(), that thread is blocked until there is some data to read, or the data is fully written. The thread can do nothing else in the meantime.

Java NIO\'s non-blocking mode enables a thread to request reading data from a channel, and only get what is currently available, or nothing at all, if no data is currently available. Rather than remain blocked until data becomes available for reading, the thread can go on with something else.

The same is true for non-blocking writing. A thread can request that some data be written to a channel, but not wait for it to be fully written. The thread can then go on and do something else in the mean time.

What threads spend their idle time on when not blocked in IO calls, is usually performing IO on other channels in the meantime. That is, a single thread can now manage multiple channels of input and output.

BIO、NIO、AIO适用场景分析

• BIO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。

• AIO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。

参考：

https://blog.csdn.net/ty497122758/article/details/78979302

https://blog.csdn.net/valada/article/details/96040288