java io模型

一、五种IO模型

在《Unix网络编程》一书中提到了五种IO模型，分别是：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO以及异步IO。

而Reactor模式实现了同步非阻塞模型，而Proactor模式实现了异步非阻塞模型

具体方面请参考我的另一篇博客

网络io模型-CSDN博客

二、NIO,BIO,AIO选型

1.同步阻塞IO（BIO）

我们熟知的Socket编程就是BIO，一个socket连接一个处理线程（这个线程负责这个Socket连接的一系列数据传输操作）。
在这里插入图片描述

阻塞的原因在于：操作系统允许的线程数量是有限的，多个socket申请与服务端建立连接时，服务端不能提供相应数量的处理线程，没有分配到处理线程的连接就会阻塞等待或被拒绝。

缺点：

1、IO代码里read操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源
2、如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K问题

应用场景：

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，但程序简单易理解。

2.同步非阻塞IO（NIO）

New IO是对BIO的改进，基于Reactor模型。

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1.4开始引入。

应用场景：

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，弹幕系统，服务器间通讯，编程比较复杂。

3.异步非阻塞 I/O（AIO）

1.什么是AIO

AIO是对NIO的改进（所以AIO又叫NIO.2），它是基于Proactor模型的。

异步非阻塞 I/O 模型读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了，在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

所以异步最大的特点是，应用程序不需要自己去触发数据从内核空间到用户空间的拷贝。

为什么是应用程序去“触发”数据的拷贝，而不是直接从内核拷贝数据呢？

这是因为应用程序是不能访问内核空间的，因此数据拷贝肯定是由内核来做，关键是谁来触发这个动作。

是内核主动将数据拷贝到用户空间并通知应用程序。还是等待应用程序通过Selector来查询，当数据就绪后，应用程序再发起一个read调用，这时内核再把数据从内核空间拷贝到用户空间。

需要注意的是，数据从内核空间拷贝到用户空间这段时间，应用程序还是阻塞的。所以你会看到异步的效率是高于同步的，因为异步模式下应用程序始终不会被阻塞。

下面我以网络数据读取为例，来说明异步模式的工作过程。

首先，应用程序在调用read API的同时告诉内核两件事情：数据准备好了以后拷贝到哪个Buffer，以及调用哪个回调函数去处理这些数据。之后，内核接到这个read指令后，等待网卡数据到达，数据到了后，产生硬件中断，内核在中断程序里把数据从网卡拷贝到内核空间，接着做TCP/IP协议层面的数据解包和重组，再把数据拷贝到应用程序指定的 Buffer，最后调用应用程序指定的回调函数。

你可能通过下面这张图来回顾一下同步与异步的区别：

我们可以看到在异步模式下，应用程序当了“甩手掌柜”，内核则忙前忙后，但最大限度提高了I/O通信的效率。

Windows的IOCP和Linux内核2.6的AIO都提供了异步I/O的支持，Java的NIO.2 API就是对操作系统异步I/O API的封装。

AIO与NIO的区别：AIO是发出IO请求后，由操作系统自己去获取IO权限并进行IO操作；NIO则是发出IO请求后，由线程不断尝试获取IO权限，获取到后通知应用程序自己进行IO操作。

2.应用场景

一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用,但实际上aio使用的地方并不多。

1.为什么大多数公司并没有使用AIO，而是使用了netty？

AIO的底层实现仍使用Epoll，并没有很好的实现异步，在性能上对比NIO没有太大优势

AIO的代码逻辑比较复杂，且Linux上AIO还不够成熟

Netty在NIO上做了很多异步的封装，是异步非阻塞框架

2.为什么Netty使用NIO而不是AIO？

在Linux系统上，AIO的底层实现仍使用Epoll，没有很好实现AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易深度优化，Linux上AIO还不够成熟。

Netty是异步非阻塞框架，Netty在NIO上做了很多异步的封装。

4.各种I/O的对比

这里写图片描述

三、java NIO

3.2 java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别，我会更详细地描述表中每部分的差异。

IO	NIO
面向流	面向缓冲
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器

1、面向流与面向缓冲

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

Java IO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。

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。

即：一个流中读写数据，一个从缓冲读写数据

2、阻塞与非阻塞IO
Java IO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）。

3、选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以在一个选择器中注册多个通道，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。

3.2 NIO的核心组件

NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(多路复用器)

1、channel 类似于流，每个 channel 对应一个 buffer缓冲区，buffer 底层就是个数组

2、channel 会注册到 selector 上，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理

3、NIO 的 Buffer 和 channel 都是既可以读也可以写

在这里插入图片描述

3.2.1 Channel

首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

NIO中的Channel的主要实现有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

3.3 nio处理网路请求实例

nio组件之间的工作流程如下
在这里插入图片描述

1.创建ServerSocketChannel并绑定端口

2.创建Selector多路复用器，并注册Channel

3.循环监听是否有感兴趣的事件发生selector.select();

4.获得事件的句柄，并进行处理

NIO底层在JDK1.4版本是用linux的内核函数select()或poll()来实现，跟上面的NioServer代码类似，selector每次都会轮询所有的sockchannel看下哪个channel有读写事件，有的话就处理，没有就继续遍历，JDK1.5开始引入了epoll基于事件响应机制来优化NIO。

NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket，获取到Socket的文件描述符，再创建一个Selector对象，对应操作系统的Epoll描述符，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的Epoll文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用一条线程，并且不需要太多的无效的遍历，将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断程序实现)，大大提高了效率。

3.4 Redis线程模型

Redis就是典型的基于epoll的NIO线程模型(nginx也是)，epoll实例收集所有事件(连接与读写事件)，由一个服务端线程连续处理所有事件命令。
Redis底层关于epoll的源码实现在redis的src源码目录的ae_epoll.c文件里，感兴趣可以自行研究。

思考：

1. select，poll，epoll 的区别

I/O多路复用底层主要用的Linux 内核·函数（select，poll，epoll）来实现，windows不支持epoll实现，windows底层是基于winsock2的select函数实现的(不开源)

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。select，poll原理相似都是一个线程去线性遍历，而epoll时事件通知方式。

在这里插入图片描述
epoll可以理解为Java设计模式中的观察者模式中的push模式。

四、java AIO

1. 基础概念

AIO自JDK1.7以后才开始支持，是异步非阻塞的，与NIO不同，当进行读写操作时，只需直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，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。即可以理解为， read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。

AIO基于Proactor模型实现，分为发送请求和读取数据两个步骤：

发送请求：将数据写入的缓冲区后，剩下的交给操作系统去完成

读取数据：操作系统写回数据也是写到Buffer里面，完成后再通知客户端来进行读取数据。

可用这张图大概概括了上面过程