BIO,NIO,AIO(NIO2)的理解

时间：2023-02-11 11:44:50

写在前面，这里所说的IO主要是强调的网络IO

1.BIO（同步并阻塞）

客户端一个请求对应一个线程。客户端上来一个请求（最开始的连接以及后续的IO请求），服务端新建一个线程去处理这个请求，由于线程总数是有限的（操作系统对线程总数的限制或者线程池的大小），所以，当达到最大值时给客户端的反馈就是无法响应，阻塞体现在服务端接收客户端连接请求被阻塞了，还有一种阻塞是在单线程处理某一个连接时，需要一直等待IO操作完成。同步体现在单个线程处理请求时调用read（write）方法需等待读取（写）操作完成才能返回。

2.NIO（同步非阻塞）

客户端一个IO请求对应一个线程。过程是这样的，每个客户端一开始上来的连接会注册到selector中，selector会轮询注册上来的连接是否有IO请求，如果有IO请求，就创建一个线程处理该连接上的该次请求。非阻塞体现在服务端能够无限量（相对于BIO）的接收客户端的连接请求。同步体现在单个线程处理请求时调用read（write）方法需等待读取（写）操作完成才能返回。这种模式下，如果后端应用处理遇到资源争夺（数据库操作）而阻塞等，为提高请求的处理速度，可以在后端设立资源池或队列等，把对应的请求数据以及现场（哪个连接的哪个请求等）放入队列，前台线程立即返回处理别的IO请求。

3.AIO(NIO2)（异步阻塞）

客户端一个IO请求对应一个线程。过程同NIO，只是在读写IO时略有差异，对于read，方法调用后会立即返回，返回对应中有个回调方法，调用时java会告知操作系统缓冲区大小以及地址，操作系统把流里面的内容读入缓冲区后回调刚刚read返回的回调方法。对应write，方法调用后会立即返回，返回对应中有个回调方法，调用时将数据放入缓存区，操作系统往流里面写完数据后同样会回调刚刚wirte返回的回调方法。阻塞是因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性请求。异步步体现在单个线程处理请求时调用read（write）方法会立即返回，返回对象有回调方法，底层OS完成IO操作后会回调该方法。

适用场景：

  • 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。

在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

  • AsynchronousSocketChannel
  • AsynchronousServerSocketChannel
  • AsynchronousFileChannel
  • AsynchronousDatagramChannel

注：I/O属于底层操作，需要操作系统支持，并发也需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。

在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

附录：java NIO示例
服务端：
package cn.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
* NIO服务端
*
*/
public class NIOServer {
//通道管理器
private Selector selector;

/**
* 获得一个ServerSocket通道，并对该通道做一些初始化的工作
* @param port 绑定的端口号
* @throws IOException
*/
public void initServer(int port) throws IOException {
// 获得一个ServerSocket通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
serverChannel.configureBlocking(false);
// 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
// 获得一个通道管理器
this.selector = Selector.open();
//将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
//当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}

/**
* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
* @throws IOException
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public void listen() throws IOException {
System.out.println("服务端启动成功！");
// 轮询访问selector
while (true) {
//当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
selector.select();
// 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
while (ite.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
// 删除已选的key,以防重复处理
ite.remove();
// 客户端请求连接事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key
.channel();
// 获得和客户端连接的通道
SocketChannel channel = server.accept();
// 设置成非阻塞
channel.configureBlocking(false);

//在这里可以给客户端发送信息哦
channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
//在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

// 获得了可读的事件
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
}

}

}
}
/**
* 处理读取客户端发来的信息 的事件
* @param key
* @throws IOException
*/
public void read(SelectionKey key) throws IOException{
// 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 创建读取的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
channel.read(buffer);
byte[] data = buffer.array();
String msg = new String(data).trim();
System.out.println("服务端收到信息："+msg);
ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
}

/**
* 启动服务端测试
* @throws IOException
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
NIOServer server = new NIOServer();
server.initServer(8000);
server.listen();
}

}

客户端：
package cn.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
* NIO客户端
*
*/
public class NIOClient {
//通道管理器
private Selector selector;

/**
* 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
* @param ip 连接的服务器的ip
* @param port 连接的服务器的端口号
* @throws IOException
*/
public void initClient(String ip,int port) throws IOException {
// 获得一个Socket通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
channel.configureBlocking(false);
// 获得一个通道管理器
this.selector = Selector.open();

// 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
//用channel.finishConnect();才能完成连接
channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));
//将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}

/**
* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
* @throws IOException
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public void listen() throws IOException {
// 轮询访问selector
while (true) {
selector.select();
// 获得selector中选中的项的迭代器
Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
while (ite.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
// 删除已选的key,以防重复处理
ite.remove();
// 连接事件发生
if (key.isConnectable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key
.channel();
// 如果正在连接，则完成连接
if(channel.isConnectionPending()){
channel.finishConnect();

}
// 设置成非阻塞
channel.configureBlocking(false);

//在这里可以给服务端发送信息哦
channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
//在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

// 获得了可读的事件
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
}

}

}
}
/**
* 处理读取服务端发来的信息 的事件
* @param key
* @throws IOException
*/
public void read(SelectionKey key) throws IOException{
//和服务端的read方法一样
}

/**
* 启动客户端测试
* @throws IOException
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
NIOClient client = new NIOClient();
client.initClient("localhost",8000);
client.listen();
}

}

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