NIO与BIO

NIO与BIO

Stream与Channel

• stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
• stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
• 二者均为全双工，即读写可以同时进行
  • 虽然Stream是单向流动的，但是它也是全双工的

IO模型

• 同步:线程自己去获取结果（一个线程）
  • 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程）
  • 例如：线程A调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程B返回

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

• 等待数据阶段
• 复制数据阶段

根据UNIX 网络编程 - 卷 I，IO模型主要有以下几种

阻塞IO

• 用户线程进行read操作时，需要等待操作系统执行实际的read操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作

非阻塞IO

• 用户线程

  在一个循环中一直调用read方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回,只是在等待阶段非阻塞

• 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果

多路复用

Java中通过Selector实现多路复用

• 当没有事件时，调用select方法会被阻塞住
• 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

• 阻塞IO模式下，若线程因accept事件被阻塞，发生read事件后，仍需等待accept事件执行完成后，才能去处理read事件
• 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行

异步IO

• 线程1调用方法后立即返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
• 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1

零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点

• 更少的用户态与内核态的切换
• 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
• 零拷贝适合小文件传输

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程如下

• Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU
  • DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO
• 从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA
• 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10):底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10)：底层对应DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存

大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用

• 这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  • DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
    • 当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存
    • DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法
  • 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化

以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）

底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

• ava 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
• 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

这种方法下

• 只发生了1次用户态与内核态的切换
• 数据拷贝了 3 次

进一步优化2

linux 2.4 对上述方法再次进行了优化

• Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
• 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
• 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU

整个过程仅只发生了1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次

AIO

AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题

• 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
• 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

文件 AIO

public class AIOTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try {
            AsynchronousFileChannel async = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("b.txt"), StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            async.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    System.out.println("read finish! "+result);
                    buffer.flip();
                    ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    System.out.println("read failed!");
                }
            });
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("do other things");
        System.in.read();
    }
}

do other things
read finish! 14
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [14]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 77 6f 72 6c 64 31 32 33 34 00 00 |helloworld1234..|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

可以看到

• 响应文件读取成功的是另一个线程
• 主线程并没有 IO 操作阻塞

网络AIO

public class AioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
        System.in.read();
    }

    private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
        try {
            System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            sc.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            try {
                if (result == -1) {
                    closeChannel(sc);
                    return;
                }
                System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
                attachment.flip();
                System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
                attachment.clear();
                // 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件
                sc.read(attachment, attachment, this);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            closeChannel(sc);
            exc.printStackTrace();
        }
    }

    private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            // 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容
            if (attachment.hasRemaining()) {
                sc.write(attachment);
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            exc.printStackTrace();
            closeChannel(sc);
        }
    }

    private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
        private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;

        public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
            this.ssc = ssc;
        }

        @Override
        public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
            try {
                System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            // 读事件由 ReadHandler 处理
            sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
            // 写事件由 WriteHandler 处理
            sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
            // 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件
            ssc.accept(null, this);
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
            exc.printStackTrace();
        }
    }
}