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5.从BIO到NIO和AIO

soulballad
2022-03-06 / 0 评论 / 0 点赞 / 51 阅读 / 3,433 字
温馨提示:
本文最后更新于 2022-06-04,若内容或图片失效,请留言反馈。部分素材来自网络,若不小心影响到您的利益,请联系我们删除。

1. 阻塞和同步

1.1 阻塞和非阻塞

阻塞 (Block) 和非阻塞 (Non-Block)

阻塞和非阻塞是进程在访问数据的时候,数据是否准备就绪的一种处理方式,当数据没有准备的时候:

  • 阻塞:往往需要等待缓冲区中的数据准备好过后才处理其他的事情,否则一直等待在那里。
  • 非阻塞:当我们的进程访问我们的数据缓冲区的时候,如果数据没有准备好则直接返回,不会等待;如果数据已经准备好,也直接返回。

1.2 同步和异步

同步 (Synchronization) 和异步 (Asynchronous)

同步和异步都是基于应用程序和操作系统处理 IO 事件所采用的方式。比如同步:是应用程序要直接参与 IO 读写的操作。异步:所有的 IO 读写交给操作系统去处理,应用程序只需要等待通知。

同步方式在处理 IO 事件的时候,必须阻塞在某个方法上面等待我们的 IO 事件完成(阻塞 IO 事件或者通过轮询 IO 事件的方式),对于异步来说,所有的 IO 读写都交给了操作系统。这个时候,我们可以去做其他的事情,并不需要去完成真正的 IO 操作,当操作完成 IO 后,会给我们的应用程序一个通知。

同步 : 阻塞到 IO 事件,阻塞到 read 或则 write。这个时候我们就完全不能做自己的事情。让读写方法加入到线程里面,然后阻塞线程来实现,对线程的性能开销比较大。

2. BIO 与 NIO 对比

下表总结了 Java BIO(Block IO)和 NIO(Non-Block IO)之间的主要差别异。

IO模型BIONIO
通信面向流(乡村公路)面向缓冲(高速公路,多路复用技术)
处理阻塞 IO(多线程)非阻塞 IO(反应堆 Reactor)
触发选择器(轮询机制)

2.1 面向流与面向缓冲

Java NIO 和 BIO 之间第一个最大的区别是,BIO 是面向流的,NIO 是面向缓冲区的。

  1. Java BIO 面向流意味着每次从流中读一个或多个字节,直至读取所有字节,它们没有被缓存在任何地方。此外,它不能前后移动流中的数据。 如果需要前后移动从流中读取的数据,需要先将它缓存到一个缓冲区。
  2. Java NIO 的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

2.2 阻塞与非阻塞

Java BIO 的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

Java NIO 的非阻塞模式,使一个线程从某通道发送请求读取数据,但是它仅能得到目前可用的数据,如果目前没有数据可用时,就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它通道上执行 IO 操作,所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

2.3 选择器的问世

Java NIO 的选择器(Selector)允许一个单独的线程来监视多个输入通道,你可以注册多个通道使用一个选择器,然后使用一个单独的线程来 “选择” 通道:这些通道里已经有可以处理的输入,或者选择已准备写入的通道。这种选择机制,使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

2.4 NIO 和 BIO 如何选择

无论选择 BIO 或 NIO 工具箱,可能会影响您应用程序设计的以下几个方面:

  1. 对 NIO 或 BIO 类的 API 调用。
  2. 数据处理逻辑。
  3. 用来处理数据的线程数。

2.4.1 API 调用

当然,使用 NIO 的 API 调用时看起来与使用 BIO 时有所不同,但这并不意外,因为并不是仅从一个 InputStream逐字节读取,而是数据必须先读入缓冲区再处理。

2.4.2 数据处理

使用纯粹的 NIO 设计相较 BIO 设计,数据处理也受到影响。

在 BIO 设计中,我们从 InputStream 或 Reader 逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流,例如:有如下一段文本:

Name:Tom
Age:18
Email: tom@qq.com
Phone:13888888888

该文本行的流可以这样处理:

FileInputStream input = new FileInputStream("d://info.txt");
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
String nameLine = reader.readLine();
String ageLine = reader.readLine();
String emailLine = reader.readLine();
String phoneLine = reader.readLine();

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说,一旦 reader.readLine() 方法返回,你就知道肯定文本行就已读完,readline() 阻塞直到整行读完,这就是原因。你也知道此行包含名称;同样,第二个 readline() 调用返回的时候,你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到,该处理程序仅在有新数据读入时运行,并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据,该线程不会再回退数据(大多如此)。下图也说明了这条原则:

1561271347021

Java BIO: 从一个阻塞的流中读数据; 而一个 NIO 的实现会有所不同,下面是一个简单的例子:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行,从通道读取字节到 ByteBuffer。当这个方法调用返回时,你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是,该缓冲区包含一些字节,这使得处理有点困难。

假设第一次 read(buffer)调用后,读入缓冲区的数据只有半行,例如,“Name:An”,你能处理数据吗?显然不能,需要等待,直到整行数据读入缓存,在此之前,对数据的任何处理毫无意义。

所以,你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢?好了,你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是,在你知道所有数据都在缓冲区里之前,你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下,而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buffer);
while(!bufferFull(bytesRead)) {
    bytesRead = inChannel.read(buffer);
}

bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区,并返回真或假,这取决于缓冲区是否已满。换句话说,如果缓冲区准备好被处理,那么表示缓冲区满了。

bufferFull() 方法扫描缓冲区,但必须保持在 bufferFull() 方法被调用之前状态相同。如果没有,下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的,但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满,它可以被处理。如果它不满,并且在你的实际案例中有意义,你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了 “缓冲区数据循环就绪”:

1561271584949

2.4.3 设置处理线程数

NIO 可让您只使用一个(或几个)单线程管理多个通道(网络连接或文件),但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,例如聊天服务器,实现 NIO 的服务器可能是一个优势。同样,如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上,如 P2P 网络中,使用一个单独的线程来管理你所有出站连接,可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如:

1561271829363

Java NIO: 单线程管理多个连接

如果你有少量的连接使用非常高的带宽,一次发送大量的数据,也许典型的 IO 服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的 IO 服务器设计:

1561271869596

Java BIO: 一个典型的 IO 服务器设计- 一个连接通过一个线程处理。

4. Java AIO 详解

jdk1.7 (NIO2)才是实现真正的异步 AIO、把 IO 读写操作完全交给操作系统,学习了 linux epoll 模式,下面我们来做一些演示。

4.1 AIO 基本原理

AIO:Asynchronous IO

服务端:AsynchronousServerSocketChannel
客服端:AsynchronousSocketChannel
用户处理器:CompletionHandler 接口,这个接口实现应用程序向操作系统发起 IO 请求,当完成后处理具体逻辑,否则做自己该做的事情。

“真正”的异步 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的状态事件通知给用户线程,由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中,当用户线程收到通知时,数据已经被内核读取完毕,并放在了用户线程指定的缓冲区内,内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。异步IO模型使用了Proactor 设计模式实现了这一机制,如下图所示:

1561272079709

4.2 AIO 初体验

服务端代码:

package com.gupaoedu.vip.netty.io.aio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
 * AIO 服务端
 */
public class AIOServer {
    private final int port;
    public static void main(String args[]) {
        int port = 8000;
        new AIOServer(port);
    }
    public AIOServer(int port) {
        this.port = port;
        listen();
    }
    private void listen() {
        try {
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            AsynchronousChannelGroup threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(executorService, 1);
            final AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup);
            server.bind(new InetSocketAddress(port));
            System.out.println("服务已启动,监听端口" + port);
            server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>(){
                final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
                public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment){
                    System.out.println("IO 操作成功,开始获取数据");
                    try {
                        buffer.clear();
                        result.read(buffer).get();
                        buffer.flip();
                        result.write(buffer);
                        buffer.flip();
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.toString());
                    } finally {
                        try {
                            result.close();
                            server.accept(null, this);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.toString());
                        }
                    }
                    System.out.println("操作完成");
                }
                @Override
                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                    System.out.println("IO 操作是失败: " + exc);
                }
            });
            try {
                Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
            } catch (InterruptedException ex) {
                System.out.println(ex);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

客户端代码:

package com.gupaoedu.vip.netty.io.aio;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
/**
 * AIO 客户端
 */
public class AIOClient {
    private final AsynchronousSocketChannel client;
    public AIOClient() throws Exception{
        client = AsynchronousSocketChannel.open();
    }
    public void connect(String host,int port)throws Exception{
        client.connect(new InetSocketAddress(host,port),null,new CompletionHandler<Void,Void>() {
            @Override
            public void completed(Void result, Void attachment) {
                try {
                    client.write(ByteBuffer.wrap("这是一条测试数据".getBytes())).get();
                    System.out.println("已发送至服务器");
                } catch (Exception ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
            @Override
            public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
        final ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(1024);
        client.read(bb, null, new CompletionHandler<Integer,Object>(){
            @Override
            public void completed(Integer result, Object attachment) {
                System.out.println("IO 操作完成" + result);
                System.out.println("获取反馈结果" + new String(bb.array()));
            }
            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
        try {
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        } catch (InterruptedException ex) {
            System.out.println(ex);
        }
    }
    public static void main(String args[])throws Exception{
        new AIOClient().connect("localhost",8000);
    }
}

执行结果:

服务端

1561272408104

客户端

1561272413994

5. 各 IO 模型对比与总结

最后再来一张表总结

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1:1M:N(M>=N)M:1M:0
是否阻塞阻塞阻塞非阻塞非阻塞
是否同步同步同步同步(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
吞吐量
0

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