NIO原理浅析

传统的I/O   即BIO

使用传统的I/O程序读取文件内容, 并写入到另一个文件(或Socket), 如下程序:

File.read(fileDesc, buf, len);

Socket.send(socket, buf, len);

会有较大的性能开销, 主要表现在一下两方面:

1. 上下文切换(context switch), 此处有4次用户态和内核态的切换

2. Buffer内存开销, 一个是应用程序buffer, 另一个是系统读取buffer以及socket buffer

其运行示意图如下

1) 先将文件内容从磁盘中拷贝到操作系统buffer

2) 再从操作系统buffer拷贝到程序应用buffer

3) 从程序buffer拷贝到socket buffer

4) 从socket buffer拷贝到协议引擎.

ps：直接内存访问（DMA）方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制。数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。

jdk1.4后引入的NIO

NIO技术省去了将操作系统的read buffer拷贝到程序的buffer, 以及从程序buffer拷贝到socket buffer的步骤, 直接将 read buffer 拷贝到 socket buffer. java 的 FileChannel.transferTo() 方法就是这样的实现, 这个实现是依赖于操作系统底层的sendFile()实现的.

publicvoid transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target);

他的底层调用的是系统调用sendFile()方法

sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

如下图

以上是宏观从操作系统上对比来看，NIO与系统内核交互细节调用关系如图：

流程细节说明：

1.向内核注册一个监听器selector，等待内核回调通知客户请求事件

2.selector收到请求事件通知后注册read监听channel

3.内核通过TCP协议向自己的bytebuffer缓存里写数据后（bytebuffer关联通道channel），通知selector已经可读。

4.selector通过channel将bytebuffer缓存读出来

整个流程都基于事件通知机制，服务器端当没有监听到事件时系统资源可以干其他事情，当然这种事件通知机制也依托于系统内核。java早起服务器端开发性能远远差于c,c++，正是jdk1.4前没有利用操作系统,使用传统BIO（在其基础上优化，加入线程池起到一定缓解作用）。NIO虽然称为异步非阻塞，其实本质是伪异步非阻塞，selector还是在循环监听各种状态，只是相对BIO前进了一大步。jdk1.7后出现的AIO是真正的异步非阻塞IO，后续再研究。

三种IO的区别，有人形象的做过形容：

老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
老张觉得自己有点傻
2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。
3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
老张觉得这样傻等意义不大
4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）
老张觉得自己聪明了。

所谓同步异步，只是对于水壶而言。
普通水壶，同步；响水壶，异步。
虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。
同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。

所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。
立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。
情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

——来源网络，作者不明。