Java流的詳細(xì)解讀BIO VS NIO VS AIO

BIO

BIO：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊模型，就是BIO，同步阻塞IO。

它其實(shí)就是服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket， 然后就是客戶端用一個(gè)Socket去連接服務(wù)端的那個(gè)ServerSocket， ServerSocket接收到了一個(gè)的連接請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)Socket和一個(gè)線程去跟那個(gè)Socket進(jìn)行通訊。

接著客戶端和服務(wù)端就進(jìn)行阻塞式的通信，客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)端Socket進(jìn)行處理后返回響應(yīng)。

在響應(yīng)返回前，客戶端那邊就阻塞等待，上門(mén)事情也做不了。

這種方式的缺點(diǎn)：每次一個(gè)客戶端接入，都需要在服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)服務(wù)這個(gè)客戶端。

這樣大量客戶端來(lái)的時(shí)候，就會(huì)造成服務(wù)端的線程數(shù)量可能達(dá)到了幾千甚至幾萬(wàn)，這樣就可能會(huì)造成服務(wù)端過(guò)載過(guò)高，最后崩潰死掉。

BIO模型圖

Acceptor 線程模型

傳統(tǒng)的IO模型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)計(jì)模式中有倆種比較經(jīng)典的設(shè)計(jì)模式：一個(gè)是多線程， 一種是依靠線程池來(lái)進(jìn)行處理。

如果是基于多線程的模式來(lái)的話，就是這樣的模式，這種也是Acceptor線程模型。

NIO

NIO是一種同步非阻塞IO, 基于Reactor模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

其實(shí)相當(dāng)于就是一個(gè)線程處理大量的客戶端的請(qǐng)求，通過(guò)一個(gè)線程輪詢大量的channel，每次就獲取一批有事件的channel，然后對(duì)每個(gè)請(qǐng)求啟動(dòng)一個(gè)線程處理即可。

這里的核心就是非阻塞，就那個(gè)selector一個(gè)線程就可以不停輪詢channel，所有客戶端請(qǐng)求都不會(huì)阻塞，直接就會(huì)進(jìn)來(lái)，大不了就是等待一下排著隊(duì)而已。

這里面優(yōu)化BIO的核心就是，一個(gè)客戶端并不是時(shí)時(shí)刻刻都有數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，沒(méi)有必要死耗著一個(gè)線程不放，所以客戶端選擇了讓線程歇一歇，只有客戶端有相應(yīng)的操作的時(shí)候才發(fā)起通知，創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)處理請(qǐng)求。

NIO 模型圖

Reactor模型

AIO

AIO：異步非阻塞IO，基于Proactor模型實(shí)現(xiàn)。

每個(gè)連接發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，都會(huì)綁定一個(gè)Buffer，然后通知操作系統(tǒng)去完成異步的讀，這個(gè)時(shí)間你就可以去做其他的事情。

等到操作系統(tǒng)完成讀之后，就會(huì)調(diào)用你的接口，給你操作系統(tǒng)異步讀完的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候你就可以拿到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)往回寫(xiě)。

在往回寫(xiě)的過(guò)程，同樣是給操作系統(tǒng)一個(gè)Buffer，讓操作系統(tǒng)去完成寫(xiě)，寫(xiě)完了來(lái)通知你。

這倆個(gè)過(guò)程都有buffer存在，數(shù)據(jù)都是通過(guò)buffer來(lái)完成讀寫(xiě)。

這里面的主要的區(qū)別在于將數(shù)據(jù)寫(xiě)入的緩沖區(qū)后，就不去管它，剩下的去交給操作系統(tǒng)去完成。

操作系統(tǒng)寫(xiě)回?cái)?shù)據(jù)也是一樣，寫(xiě)到Buffer里面，寫(xiě)完后通知客戶端來(lái)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。

AIO模型

BIO、NIO、AIO三個(gè)模型的同步和阻塞問(wèn)題

同步阻塞

BIO是同步阻塞的，這里說(shuō)的不是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊模型而言，而是針對(duì)磁盤(pán)文件讀寫(xiě)IO操作來(lái)說(shuō)的。
因?yàn)橛肂IO的流讀寫(xiě)文件，例如FileInputStrem，是說(shuō)你發(fā)起個(gè)IO請(qǐng)求直接hang死，卡在那里，必須等著搞完了這次IO才能返回。

同步非阻塞

NIO為啥是同步非阻塞，因?yàn)闊o(wú)論多少客戶端都可以接入服務(wù)端，客戶端接入并不會(huì)耗費(fèi)一個(gè)線程，只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)連接然后注冊(cè)到selector上去，這樣你就可以去干其他你想干的其他事情了。

一個(gè)selector線程不斷的輪詢所有的socket連接，發(fā)現(xiàn)有事件了就通知你，然后你就啟動(dòng)一個(gè)線程處理一個(gè)請(qǐng)求即可，這個(gè)過(guò)程的話就是非阻塞的。

但是這個(gè)處理的過(guò)程中，你還是要先讀取數(shù)據(jù)，處理，再返回的，這是個(gè)同步的過(guò)程。

異步非阻塞

通過(guò)AIO發(fā)起個(gè)文件IO操作之后，你立馬就返回可以干別的事兒了，接下來(lái)你也不用管了，操作系統(tǒng)自己干完了IO之后，告訴你說(shuō)ok了。

當(dāng)你基于AIO的api去讀寫(xiě)文件時(shí)， 當(dāng)你發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求之后，剩下的事情就是交給了操作系統(tǒng)。

當(dāng)讀寫(xiě)完成后， 操作系統(tǒng)會(huì)來(lái)回調(diào)你的接口， 告訴你操作完成。

在這期間不需要等待， 也不需要去輪詢判斷操作系統(tǒng)完成的狀態(tài)，你可以去干其他的事情。

同步就是自己還得主動(dòng)去輪詢操作系統(tǒng)，異步就是操作系統(tǒng)反過(guò)來(lái)通知你。所以來(lái)說(shuō)， AIO就是異步非阻塞的。

首先我們來(lái)了解下傳統(tǒng)的Socket網(wǎng)絡(luò)通訊模型。

NIO核心組件詳細(xì)講解

學(xué)習(xí)NIO先來(lái)搞清楚一些相關(guān)的概念，NIO通訊有哪些相關(guān)組件，對(duì)應(yīng)的作用都是什么，之間有哪些聯(lián)系?

多路復(fù)用機(jī)制實(shí)現(xiàn)Selector

首先我們來(lái)了解下傳統(tǒng)的Socket網(wǎng)絡(luò)通訊模型。

傳統(tǒng)Socket通訊原理圖

為什么傳統(tǒng)的socket不支持海量連接?

每次一個(gè)客戶端接入，都是要在服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)服務(wù)這個(gè)客戶端的

這會(huì)導(dǎo)致大量的客戶端的時(shí)候，服務(wù)端的線程數(shù)量可能達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)，幾十萬(wàn)，這會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器端程序負(fù)載過(guò)高，不堪重負(fù)，最終系統(tǒng)崩潰死掉。

接著來(lái)看下NIO是如何基于Selector實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用機(jī)制支持的海量連接。

NIO原理圖

多路復(fù)用機(jī)制是如何支持海量連接?

NIO的線程模型對(duì)Socket發(fā)起的連接不需要每個(gè)都創(chuàng)建一個(gè)線程，完全可以使用一個(gè)Selector來(lái)多路復(fù)用監(jiān)聽(tīng)N多個(gè)Channel是否有請(qǐng)求，該請(qǐng)求是對(duì)應(yīng)的連接請(qǐng)求，還是發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。

這里面是基于操作系統(tǒng)底層的Select通知機(jī)制的，一個(gè)Selector不斷的輪詢多個(gè)Channel，這樣避免了創(chuàng)建多個(gè)線程。

只有當(dāng)莫個(gè)Channel有對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建線程，可能說(shuō)1000個(gè)請(qǐng)求， 只有100個(gè)請(qǐng)求是有數(shù)據(jù)交互的。

這個(gè)時(shí)候可能server端就提供10個(gè)線程就能夠處理這些請(qǐng)求。這樣的話就可以避免了創(chuàng)建大量的線程。

NIO如何通過(guò)Buffer來(lái)緩沖數(shù)據(jù)的。

NIO中的Buffer是個(gè)什么東西 ?

學(xué)習(xí)NIO，首當(dāng)其沖就是要了解所謂的Buffer緩沖區(qū)，這個(gè)東西是NIO里比較核心的一個(gè)部分。

一般來(lái)說(shuō)，如果你要通過(guò)NIO寫(xiě)數(shù)據(jù)到文件或者網(wǎng)絡(luò)，或者是從文件和網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)出來(lái)此時(shí)就需要通過(guò)Buffer緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行。Buffer的使用一般有如下幾個(gè)步驟：

寫(xiě)入數(shù)據(jù)到Buffer，調(diào)用flip()方法，從Buffer中讀取數(shù)據(jù)，調(diào)用clear()方法或者compact()方法。

Buffer中對(duì)應(yīng)的Position， Mark， Capacity，Limit都啥?

capacity：緩沖區(qū)容量的大小，就是里面包含的數(shù)據(jù)大小。

limit：對(duì)buffer緩沖區(qū)使用的一個(gè)限制，從這個(gè)index開(kāi)始就不能讀取數(shù)據(jù)了。

position：代表著數(shù)組中可以開(kāi)始讀寫(xiě)的index， 不能大于limit。

mark：是類(lèi)似路標(biāo)的東西，在某個(gè)position的時(shí)候，設(shè)置一下mark，此時(shí)就可以設(shè)置一個(gè)標(biāo)記

后續(xù)調(diào)用reset()方法可以把position復(fù)位到當(dāng)時(shí)設(shè)置的那個(gè)mark上。去把position或limit調(diào)整為小于mark的值時(shí)，就丟棄這個(gè)mark

如果使用的是Direct模式創(chuàng)建的Buffer的話，就會(huì)減少中間緩沖直接使用DirectorBuffer來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

如何通過(guò)Channel和FileChannel讀取Buffer數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)的

NIO中，Channel是什么?

Channel是NIO中的數(shù)據(jù)通道，類(lèi)似流，但是又有些不同。
　
Channel既可從中讀取數(shù)據(jù)，又可以從寫(xiě)數(shù)據(jù)到通道中，但是流的讀寫(xiě)通常是單向的。

Channel可以異步的讀寫(xiě)。Channel中的數(shù)據(jù)總是要先讀到一個(gè)Buffer中，或者從緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)寫(xiě)到通道中。

FileChannel的作用是什么?

Buffer有不同的類(lèi)型，同樣Channel也有好幾個(gè)類(lèi)型。

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網(wǎng)絡(luò)IO，以及文件IO。而FileChannel就是文件IO對(duì)應(yīng)的管道， 在讀取文件的時(shí)候會(huì)用到這個(gè)管道。

public class FileChannelDemo1 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 構(gòu)造一個(gè)傳統(tǒng)的文件輸出流FileOutputStream out = new FileOutputStream("/Users/tatatsuryou/Desktop/hello.txt");// 通過(guò)文件輸出流獲取到對(duì)應(yīng)的FileChannel，以NIO的方式來(lái)寫(xiě)文件FileChannel channel = out.getChannel();// 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到Buffer中ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(new String("Hello World").getBytes());// 通過(guò)FileChannel管道將Buffer中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到輸出流中去，持久化到磁盤(pán)中去channel.write(buffer);channel.close();out.close();}
}

面試題總結(jié)

BIO,NIO,AIO 有什么區(qū)別?

簡(jiǎn)答

• BIO：Block IO 同步阻塞式 IO，就是我們平常使用的傳統(tǒng) IO，它的特點(diǎn)是模式簡(jiǎn)單使用方便，并發(fā)處理能力低。
• NIO：Non IO 同步非阻塞 IO，是傳統(tǒng) IO 的升級(jí)，客戶端和服務(wù)器端通過(guò) Channel（通道）通訊，實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用。
• AIO：Asynchronous IO 是 NIO 的升級(jí)，也叫 NIO2，實(shí)現(xiàn)了異步非堵塞 IO ，異步 IO 的操作基于事件和回調(diào)機(jī)制。

詳解

• BIO (Blocking I/O): 同步阻塞I/O模式，數(shù)據(jù)的讀取寫(xiě)入必須阻塞在一個(gè)線程內(nèi)等待其完成。在活動(dòng)連接數(shù)不是特別高（小于單機(jī)1000）的情況下，這種模型是比較不錯(cuò)的，可以讓每一個(gè)連接專(zhuān)注于自己的 I/O 并且編程模型簡(jiǎn)單，也不用過(guò)多考慮系統(tǒng)的過(guò)載、限流等問(wèn)題。線程池本身就是一個(gè)天然的漏斗，可以緩沖一些系統(tǒng)處理不了的連接或請(qǐng)求。但是，當(dāng)面對(duì)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)級(jí)連接的時(shí)候，傳統(tǒng)的 BIO 模型是無(wú)能為力的。因此，我們需要一種更高效的 I/O 處理模型來(lái)應(yīng)對(duì)更高的并發(fā)量。
• NIO (New I/O): NIO是一種同步非阻塞的I/O模型，在Java 1.4 中引入了NIO框架，對(duì)應(yīng) java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer等抽象。NIO中的N可以理解為Non-blocking，不單純是New。它支持面向緩沖的，基于通道的I/O操作方法。 NIO提供了與傳統(tǒng)BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相對(duì)應(yīng)的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 兩種不同的套接字通道實(shí)現(xiàn),兩種通道都支持阻塞和非阻塞兩種模式。阻塞模式使用就像傳統(tǒng)中的支持一樣，比較簡(jiǎn)單，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好與之相反。對(duì)于低負(fù)載、低并發(fā)的應(yīng)用程序，可以使用同步阻塞I/O來(lái)提升開(kāi)發(fā)速率和更好的維護(hù)性；對(duì)于高負(fù)載、高并發(fā)的（網(wǎng)絡(luò)）應(yīng)用，應(yīng)使用 NIO 的非阻塞模式來(lái)開(kāi)發(fā)
• AIO (Asynchronous I/O): AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改進(jìn)版 NIO 2,它是異步非阻塞的IO模型。異步 IO 是基于事件和回調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，也就是應(yīng)用操作之后會(huì)直接返回，不會(huì)堵塞在那里，當(dāng)后臺(tái)處理完成，操作系統(tǒng)會(huì)通知相應(yīng)的線程進(jìn)行后續(xù)的操作。AIO 是異步IO的縮寫(xiě)，雖然 NIO 在網(wǎng)絡(luò)操作中，提供了非阻塞的方法，但是 NIO 的 IO 行為還是同步的。對(duì)于 NIO 來(lái)說(shuō)，我們的業(yè)務(wù)線程是在 IO 操作準(zhǔn)備好時(shí)，得到通知，接著就由這個(gè)線程自行進(jìn)行 IO 操作，IO操作本身是同步的。查閱網(wǎng)上相關(guān)資料，我發(fā)現(xiàn)就目前來(lái)說(shuō) AIO 的應(yīng)用還不是很廣泛，Netty 之前也嘗試使用過(guò) AIO，不過(guò)又放棄了。