BIO、NIO、AIO的区别和原理

看了好多关于IO模型的文章和只是自己总结一下:

一、IO模型的知识

JAVA BIO:同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程并处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的开销,当然可以通过线程池机制改善

JAVA NIO:同步非阻塞,服务器实现模式为一个请求一个线程,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理

JAVA AIO(NIO2):异步非阻塞,服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理;

2.使用场景

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局限于应用中,编程比较复杂,JDK1.4开始支持。

AIO方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持。


3.BIO 同步并阻塞

tomcat采用的传统的BIO(同步阻塞IO模型)+线程池模式,对于十万甚至百万连接的时候,传统BIO模型是无能为力的:

①线程的创建和销毁成本很高,在linux中,线程本质就是一个进程,创建销毁都是重量级的系统函数

②线程本身占用较大的内存,像java的线程栈一般至少分配512K-1M的空间,如果系统线程过高,内存占用是个问题

③线程的切换成本高,操作系统发生线程切换的时候,需要保留线程的上下文,然后执行系统调用,如果线程数过高可能执行线程切换的时间甚至大于线程执行的时间,这时候带来的表现是系统load偏高,CPUsy使用率很高

④容易造成锯齿状的系统负载。系统负载是用活动线程数或CPU核心数,一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定,就很容易造成大量请求的结果同时返回,激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。


4.NIO同步非阻塞

NIO基于Reactor,当socket有流可读或可写入socket,操作系统会相应的通知引用程序进行处理,应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是,不是一个链接就要对应一个处理线程,而是一个有效请求对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作线程来处理的

Reactor模型


改进:逻辑处理部分由多线程完成


改进:多CPU,将Reactor拆分为两部分



nio只有acceptor的服务线程是堵塞进行的,其他读写线程是通过注册事件的方式,有读写事件激活时才调用线程资源区执行,不会一直堵塞等着读写操作,Reactor的瓶颈主要在于acceptor的执行,读写事件也是在这一块分发


5.AIO异步非堵塞IO



AIO需要一个链接注册读写事件和回调方法,当进行读写操作时,只须直接调用API的read或write方法即可,这两种方法均为异步,对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,并通知应用程序;对于写操作而言,当操作系统将write方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序

即,read/write方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数;

二、IO处理的流程:

首先需要说明的一点是io多线路服用经常提到的select/poll和select/epoll两则的区别:

select/poll从程序的角度解释:将channel 注册到 seletor 上,通过轮询channel是否就绪,将就绪的channel返回。

epoll将channel 注册到 selector 上,基于回调的方式(类似监听者模式),告知selector哪些 channel 已经就绪,然后将就绪的 channel 返回。

两则相比,epoll的性能高于poll,特别是在有大量连接的时候,poll需要轮训的量上来;


BIO的IO处理流程:

一直堵塞在了网络传输数据上,只有等到数据都传到了内核,后复制到jvm应用中才好;

特别是在大量线程同时访问的时候,它的模型就变成了下图:


BIO是一对一的关系,在大批连用户同时操作的时候,thread大量生成,导致资源瞬间消耗。等等

NIO的IO处理流程:


从上图来看,如果你有用nio编程过,我相信你马上就知道了;就和上文说的一样,通过channl注册到select上,然后select轮训获取就绪的channl进一步处理;

AIO的IO处理流程:


程序调用AIO的accept方法并传入Completionhandler,该方法是非阻塞方法。等数据准备完成后回调Completionhandler处理响应操作。

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