IO 发展历程(BIO、NIO、AIO)

IO 发展历程(BIO、NIO、AIO)

一、包含的知识点

• IO基本概念
  • 阻塞(Block)和非阻塞(Non-Block)
  • 同步(Synchronization)和异步(Asynchronous)
• BIO和NIO对比
• AIO基本原理

二、IO相关的基本概念

2.1 阻塞(Block)和非阻塞(Non-Block)

​ 阻塞和非阻塞是进程进行数据访问时, 如果数据没有准备好时的一种处理方式

阻塞: 需要等待缓冲区中的数据准备好后才处理其它事情, 否则一直等待

非阻塞: 当进程访问缓冲区中的数据, 如果数据没有准备好直接返回, 不会等待

2.2 同步(Synchronization)和异步(Asynchronous)

​ 同步和异步是根据**应用程序和操作系统**交互方式来确定的

• 同步方式: 应用程序需要直接参与IO读写操作 , 处理IO的时候, 会阻塞到read、write方法上面, 等待IO事件完成, 这个时候不能处理其它事情, 只能等待IO事件完成;

• 异步方式: 应用程序不需要参与, 所有的IO读写都交给操作系统, 应用程序可以处理其它, 并不需要同步等待IO完成, 只需操作系统完成后给应用程序一个通知。

三、BIO和NIO对比

3.1 面向流(Stream)和面向缓冲区(Buffer)

• 面向流: BIO是面向流的, 意味着每次从流中读取一个或多个字节，直至读取所有字节, 并没有对数据进行缓存, 也不能前后移动流中的数据。
• 面向缓存: NIO是面向缓存区的, 程序可以在缓存区中前后移动, 增加了处理过程的灵活性, 但是同时也带来了复杂性
  • 需要检查缓冲区中是否包含了所有需要的数据
  • 需要确保更多数据读入缓冲区时, 不能覆盖尚未处理的数据

3.2 通道(Channel)

​ Channel是通信载体, 它和流有些像, 但是有几点区别

• 通道可以读也可以写, 是双向的, 流一般是单向的，只能读或写
• 通道可以异步读写, 流只能阻塞读写
• 通道是基于Buffer来读写的

Java 提供下面几种比较常见的Channel实现，一个单独的线程可以管理多个输入、输出通道

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

3.3 选择器(Selector)

​ 选择器(Selector)允许一个单独的线程监视多个输入通道, 可以将多个通道(Channel)注册到一个Selector上, 然后用一个线程从Selector选择通道, 这些被选择的通道已经可以处理输入。这种选择机制可以使用更少的线程管理更多的通道, 解决阻塞问题。

3.4 NIO和BIO区别

​ 首先看下下面代码, 从代码可以看出, BIO和NIO在代码使用、数据处理上存在区别

//BIO调用
/**
 * 测试数据
 companyName: 开源节流公司
 companyAge: 10
 phoneNumber: 13912345678
 */
FileInputStream input = new FileInputStream("/Users/ityongman/test.txt") ;
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input)) ;
String companyName = reader.readLine() ;
String companyAge = reader.readLine() ;
String phoneNumber = reader.readLine() ;

//NIO调用
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024) ;
int count = channel.read(buffer) ;

​

• API调用
• 数据处理

​ NIO是非阻塞的, 可以使用一个线程管理多个管道用于处理多个管道或文件, BIO一个线程只能处理一个流文件的read、write操作, 那么如何确定使用NIO、BIO呢 ?

• NIO
  • 连接多、数据量少, 例如: 聊天服务器，NIO管理服务器比较好
  • 单线程管理多个连接, 例如: 持续打开多个连接用于连接到其它计算机上
• BIO
  • 一个连接通过一个线程处理

下面是常见的IO服务器设计

​

3.5 BIO、NIO对比

IO模型	BIO	NIO
通信方式	面向流(Stream)	面向缓冲(Buffer)
处理	阻塞IO(多线程)	非阻塞IO(Reactor)
触发	无	选择器轮询机制(Selector)

四. AIO基本原理

4.1 基本原理

​ jdk1.7之后, 提供了异步IO(AIO)功能, 异步IO需要操作系统更强的支持, 在IO多路复用模型中, 事件循环将文件句柄状态通知给用户线程, 由用户线程自行读取数据、处理数据; 异步IO模型中, 如果数据在内核中读取完, 会放在用户指定的缓冲区内, 再给用户线程发送通知, 此时用户线程可以直接使用。

​ jdk提供的AIO常用雷包含

• 服务端, AsynchronousServerSocketChannel
• 客户端, AsynchronousSocketChannel
• 用户处理器, CompletionHandler

​

4.2 BIO、NIO、AIO对比

属性	同步阻塞IO(BIO)	伪异步IO	非阻塞IO(NIO)	异步IO(AIO)
客户端数:IO 线程数	1:1	M:N(M>N)	M:1	M:0
阻塞类型	阻塞	阻塞	非阻塞	非阻塞
同步	同步	同步	同步(多路复用)	异步
API 使用难度	简单	简单	复杂	一般
调试难度	简单	简单	复杂	复杂
可靠性	非常差	差	高	高
吞吐量	低	中	高	高