NIO之IO和NIO的区别

Posted 2020-09-29 古越剑箫

在Java1.4之前的版本，Java对I/O的支持并不完善，开发人员在开发高性能I/O程序的时候，会面临以下几个问题：

1、没有数据缓存区，I/O性能存在问题

2、没有C/C++通道的概念，输入和输出流是相互独立的不能复用

3、同步阻塞式I/O通信（BIO），造成线程资源被长时间阻塞(致命缺陷)

4、硬件可移植性差，支持的字符集编码有限

根据UNIX网络编程的概念，I/O模型有五种

详情请查看这篇文章

UNIX五种网络I/O模型

在没有JavaNIO之前呢，基于Java的所有的所有的Socket通信都采用了同步阻塞式模型（BIO）这种请求<->应答的通信模式降低了开发难度，但是在性能和可靠性方面存在巨大缺陷，因此大型应用服务器都是C/C++语言开发，因为他们可以直接操作系统提供的异步的I/O或者是AIO能力。当并发访问量增大，响应时间延迟增大之后，采用JavaBIO开发的服务器只能通过硬件扩容来满足高并发和低延时，极大增加了企业成本。

正是由于JavaBIO的不足，Java1.4版本之后提供了新的NIO库，支持非阻塞式I/O操作。

JavaNIO提供了很多的异步I/O开发和API类库，主要的类和接口如下：

进行异步I/O操作的缓存区ByteBuffer

进行异步I/O操作的管道Pipe

进行各种I/O操作（异步或者同步）的Channel，包括ServerSocketChannel和SocketChannel

多种字符集编码能力和解码能力

实现非阻塞I/O操作的选择器Selector

基于流行Perl实现的正则表达式库

 

 了解NIO必须先了解几个概念

什么是同步

什么是异步

什么是阻塞

什么是非阻塞

什么是同步阻塞

什么是同步非阻塞

什么是异步阻塞

什么是异步非阻塞

 

 

 

 

 

 

 

 

技术语言解释：

 同步：当一个进程去访问另一个进程时，必须得到一个结果(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)

异步：当一个进行访问另一个进程时时，不用立刻给结果，我会告诉你一个信息，你把结果放在这里，通知我即可（异步I/O就是Java将I/O读写操作委托给操作系统，告诉操作系统将数据放到哪个缓存区，数据大小）

阻塞：当一个进程去操作某个资源时发现这个资源不在或者暂时不可操作，那么这个进程就一直等，等可以操作

非阻塞：当进程发现没有资源可操作的时候立刻返回读写函数，而不会等待

生活中的例子：

同步：比如电话好友，那么无论打通还是打不通，都会得到回应，（用户接通了，用户正在通话，用户已关机等信息）

异步：比如叫餐，我们APP下单之后就可以做其他的事情，你只需要告诉地址，电话，食物到了送餐员会打电话通知你

阻塞：比如收费站堵车，这个就最能代表阻塞，你只能等着啥干不了

非阻塞：比如到银行排队办理业务，那么我们会拿一张排号小票，就可以去做其他事情，到号就会叫你！

网上有一个例子

同步阻塞：到饭店吃饭点餐，在那里等着不停的问，菜好了吗？菜好了吗？

同步非阻塞：点完餐，直接去打球，不过你需要隔一段时间来问一次，菜好了吗？

异步阻塞：菜做好饭店打电话给你让你亲自去拿。

异步非阻塞：菜做好，饭店直接送到球场

所以我们归纳：

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，

1、同步指的是用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪，

2、异步是指用户进程触发I/O操作以后便开始做自己的事情，而当I/O操作已经完成的时候会得到I/O完成的通知。

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据I/O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，

1、阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待

2、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。 

所以,I/O操作可以分为3类：同步阻塞（即早期的I/O操作）、同步非阻塞（NIO）、异步（AIO）。 

 

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。