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Java的BIO与NIO模型

Posted by Gatsby on 2021-10-29

Java的I/O模型

来聊一聊Java的BIO和NIO及一些底层原理，有时间下期更新Netty相关内容~

模型基本说明

  • 什么是I/O模型：就是用什么样的通道进行数据发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能
  • Java共支持3种网络编程模型I/O模式：BIO、NIO、AIO

    传统Java的I/O模型

BIO：同步并阻塞（传统阻塞型）

  • 服务器为每一个新连接建立一个新线程进行处理，如果连接没有数据也会阻塞等待（不做任何事情）造成不必要的线程开销（示意图如下） PS：BIO -> blocking io

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现在Java的I/O模型

NIO：同步非阻塞

  • 服务器的一个线程能处理多个请求（连接），客户端发送的连接请求会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理（示意图如下） PS：NIO -> non-blocking io

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AIO：异步非阻塞（非重点）

  • 引入了异步通道的概念，采用Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才会启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时长较长的应用

    BIO、NIO、AIO使用场景分析

  • BIO适用于连接数小且固定的架构，对服务器资源占用高，一般只在JDK1.4以前（唯一选择）

  • NIO适用于连接数目多且连接比较短的架构，如聊天服务器，弹幕系统，编程复杂，JDK1.4开始才有

  • AIO适用于连接数目多且连接比较长的架构，如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，JDK1.7后出现

    Java BIO 编程

    BIO基本介绍

  • Java BIO就是传统的Java I/O编程，其相关类和接口在 java.io

  • BIO（Blocking IO）：同步阻塞，服务器为每个连接请求建立新的线程，如果没有事情做也会阻塞等待，直到断开链接，这样会造成不必要的线程开销

  • 对于BIO的架构可以通过线程池机制改善（多个客户连接服务器）

  • BIO占用资源高，适用于连接数比较小且固定的架构，但是代码简单

    Java BIO 工作机制

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BIO工作流程

  1. 服务端启动一个ServerSocket
  2. 客户端启动Socket对服务器进行通信，服务器对每一个客户端线程之间建立通讯
  3. 客户端线程请求结束后，断开链接，服务端线程结束

    Java BIO问题分析

  • 每个请求都需要创建独立的线程，为客户端数据Read/Write

  • 当并发数大的时候，要创建大量线程来处理链接，系统资源占用大

  • 建立连接后，线程如果暂时没有数据可读，就阻塞在Read上，造成线程资源浪费

    Java NIO 编程

    NIO基本介绍

  • Java NIO 全称 Java non-blocking IO是JDK1.4开始提供的新API，是同步非阻塞的

  • NIO相关类都放在java.nio包下，并对原java.io包中的很多类进行改写

  • NIO有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）

  • NIO是面向缓冲区，或者面向块编程的，不是简单的read和write，数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，也可按需要在缓冲区前后移动读取数据

  • NIO的非阻塞模式：一个线程从某通道读取数据的时候，仅能得到目前可用的数据，当没有可用的数据时，什么都不会获取，会去做别的事情（因为数据是块的，所以等它攒到一定大小直到可用的时候再给就行，而不会因为数据是散装的要一直阻塞等待浪费线程！！！）

  • 这样就能将很多请求交由一个线程处理，大幅度减少线程开销

    NIO和BIO

  • BIO以流的形式处理数据，NIO以块的形式处理数据

  • BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的

  • BIO的流是字节流和字符流，而NIO的块基于Channel（通道）和Buffer（缓冲区）读取数据，Selector（选择器）监听多个通道的事件（连接请求，数据到达）

    NIO三大核心

    关系图

    image.png

  • 每一个Channel都会对应一个Buffer

  • Selector对应一个服务器线程，一个线程对应多个Channel

  • Selector选择哪个是由Channel的事件Event决定的

  • Selector会根据事件安排在各个通道上切换

  • Buffer是缓冲区，其实就是一个内存块，底层就是一个数组（bytebuffer）

  • Buffer的读写是双向，既可以读也可以写，像底层操作系统的系统通道也是双向的

    缓冲区（Buffer）

Buffer的本质 -> 可以读写的数据内存块（容器对象）
数据的读写必须经过buffer
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Buffer类的基本信息
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Buffer类相关方法（比较灵活）
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通道（Channel）

NIO通道与BIO的流的区别

  • 通道可以同时进行读写，流只能读或者写
  • 通道可以异步读写数据，流只能同步
  • 通道可以从缓冲区读&写数据

常用Channel类

  • BIO的Stream是单向的，NIO的Channel是双向的
  • 常用的Channel类：ServerSocketChannel（类似ServerSocket）和SocketChannel（类似Socket）
  • Filechannel ->文件读写通道
  • DatagramChannel -> UDP数据读写通道
  • ServerSocketChannel & SocketChannel -> TCP读写通道

Selector（选择器）

  • Java的NIO，用非阻塞IO模式，得益于Selector
  • 多个Channel以事件的方式注册到同一个Selector -> 这样Selector可监控多个通道是否有事件发生 -> 一个线程管理多个通道的连接和请求
  • 只有有事件发生时才回去读写，减少线程开销（线程上下文切换）
  • 线程在非阻塞IO的空闲时间在其他有需要的通道上执行IO操作，节约了时间
  • Netty的IO线程NioEventLoop（事件）

示意图

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参考资料

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