bio,nio,aio的区别 select,poll,epoll的区别

时间：2024-05-03 21:37:26
先了解一些基本概念,什么是socket？什么是I/O操作

  • unix(like)世界里，一切皆文件，而文件是什么呢？文件就是一串二进制流而已，不管socket,还是FIFO、管道、终端，对我们来说，一切都是文件，一切都是流

  • 在信息交换的过程中，我们都是对这些流进行数据的收发操作，简称为I/O操作(input and output)

  • 计算机里有这么多的流，我怎么知道要操作哪个流呢？对，就是文件描述符，即通常所说的fd，一个fd就是一个整数，所以，对这个整数的操作，就是对这个文件（流）的操作。我们创建一个socket,通过系统调用会返回一个文件描述符，那么剩下对socket的操作就会转化为对这个描述符的操作

然后看看一下几个概念

  1. BIO:同步阻塞IO,一个客户端连接，对应一个服务端线程

  2. BIO还有一种变种,伪异步IO,当有新的客户端接入时，将客户端的socket封装成一个task，丢到线程池中处理。优化了后续处理线程的方式

  3. NIO:同步非阻塞IO

  4. AIO:异步非阻塞IO(异步一定是非阻塞)

再看看以下几个区别

  • 同步和异步针对应用程序来，关注的是程序中间的协作关系

  • 阻塞与非阻塞更关注的是单个进程的执行状态

再看看I/O处理的过程

  • 数据通过网关到达内核，内核准备好数据

  • 数据从内核缓存写入用户缓存

再来讲讲同步异步就清晰了

  • 同步：不管是BIO,NIO,还是IO多路复用，从内核缓存写入用户缓存一定是由 用户线程自行读取数据，处理数据

  • 异步：数据是内核写入的，并放在了用户线程指定的缓存区，写入完毕后通知用户线程

  • 阻塞:数据从网关写到内核,如果没写好,线程就一直在等待

  • 非阻塞:数据总网关写到内核,用一个线程轮询的去查看所有的数据是否准备好(I/O多路复用,监听多个socket)

再来看看I/O多路复用的三种形式

  • select:知道了有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长

  • poll:本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的

  • epoll(Linux内核所特有):可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）(Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll)

  • 注意:表面上看epoll的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select和poll的性能可能比epoll好，毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调

最后回来看看java内核的NIO的实现

  • 缓冲区Buffer

  1. 缓冲区实际上是一个数组，封装了对数据结构化访问以及维护读写位置等信息

  2. 在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的，在读取数据时，直接读取到缓冲区。写入数据时，直接写入写缓冲区。任何时候访问NIO中的数据，都是 通过缓冲区进行操作

  3. 最常用的的缓冲区是ByteBuffer。大部分Java基本类型都对应一种缓冲区

  • 通道channel

  1. Channel 是一个通道，可以通过它读取和写入数据。InputStream和OutputStream各自只能在一个方向上操作

  2. Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层的api

  • 多路复用器Selector

  1. Selector是NIO的编程基础。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力

  2. Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果channel上面有了新的TCP连接、读取或者写事件，这个channel就是就绪状态，会被Selector轮询出来。然后通过SelectionKey集合可以获取就绪的Channel集合，进行IO操作

  3. 一个Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll（）代替传统的select实现，所以没有最大连接句柄1024/2048的限制。这意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端

  • NIO服务端序列图

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  • NIO客服端序列图

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  • 简单版本的交互图

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