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Netty学习——BIO、NIO、AIO的总结

分类: 文章 • 2024-03-02 13:04:58

一、简介

Java中的BIO、BIO和AIO都可以理解为 Java对操作系统各种IO模型的封装。无需关心操作系统层面的知识，只需要使用Java的API就可以了.
首先需要了解一下几个基本概念：同步和异步，阻塞和非阻塞

同步和异步
  • 同步：同步是致发起一个调用后，被调用折不处理完请求，比返回
  • 异步：表示发起一个调用后，会立即收到被调用者的反馈，表示已经接受到信息来，但是并没有返回结果。此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。
阻塞和非阻塞
  • 阻塞： 阻塞就是发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
  • 非阻塞： 非阻塞就是发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。
二、BIO （Blocking I/O ）

同步阻塞I/O模式，数据的读写必须阻塞在一个线程中等待其完成

传统的BIO （一请求一应答）模式图如下：
Netty学习——BIO、NIO、AIO的总结
对于BIO的这种服务模型，是通过由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的链接。请求一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成， 不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接。
如果BIO要能够同时处理多个客户端，则就需要多线程来完成。主要是因为socket.accept(),socket.read()和socket.writer都是同步阻塞的方法。也就是它收到一个客户端请求后，就需要创建一个新的线程来进行链路处理，处理完成之后，应答客户端，线程销毁。是一个典型的 一请求一答应的通行模型，不过这个方式会操作线程大量不必要的开销。所以我们可以通过线程池机制来改善，让线程的创建和回收成本相当降低。具体的伪异步IO 可以详见 github中的IO文档

BIO 总结

在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的 I/O 并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

三、NIO （New I/O No-Blocking I/O）

NIO是一直同步非阻塞I/O模型，在Java1.4中引入的。并提高了 Channel、Buffer 和Selector等抽象类。它支持面向缓存的，基于通道的I/O操作方法。支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

NIO/IO的区别

  • IO流是阻塞性的，NIO是非阻塞的
    Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说，单线程中从通道读取数据到buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到buffer中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外，非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。

    Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了

  • ** IO 面向流(Stream)，而 NIO 面向缓冲区(Buffer)**
    在IO中，是可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中
    在NIO库中，所有数据都是用缓冲区来处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
    最常用的缓冲区是 ByteBuffer,一个 ByteBuffer 提供了一组功能用于操作 byte 数组。除了ByteBuffer,还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型（除了Boolean类型）都对应有一种缓冲区。

  • NIO有通道 Channel
    通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和Buffer交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。

  • NIO有选择器 Selector
    选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此，为了提高系统效率选择器是有用的。
    Netty学习——BIO、NIO、AIO的总结

  • NIO 读数据和写数据方式
    通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的。
    从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。
    从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据。

  • NIO核心组件简单介绍
    NIO 包含下面几个核心的组件：
    Channel(通道)
    Buffer(缓冲区)
    Selector(选择器)
    整个NIO体系包含的类远远不止这三个，只能说这三个是NIO体系的“核心API”。我们上面已经对这三个概念进行了基本的阐述，这里就不多做解释了。

  • NIO的缺点

    1. JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现，该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100%
    2. API复杂，自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug，维护成本较高，上面这一坨代码我都不能保证没有 bug
    3. Netty 的出现很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题。
四、AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞的IO模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

AIO 是异步IO的缩写，虽然 NIO 在网络操作中，提供了非阻塞的方法，但是 NIO 的 IO 行为还是同步的。对于 NIO 来说，我们的业务线程是在 IO 操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程自行进行 IO 操作，IO操作本身是同步的。（除了 AIO 其他的 IO 类型都是同步的，这一点可以从底层IO线程模型解释，推荐一篇文章：《漫话：如何给女朋友解释什么是Linux的五种IO模型？》 ）

参考 (https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/BIO-NIO-AIO.md)[https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/BIO-NIO-AIO.md]

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