关于BIO | NIO | AIO的讨论

心已赠人 2022-07-14 05:41 99阅读 0赞

关于BIO | NIO | AIO的讨论一直存在，有时候也很容易让人混淆，就我的理解，给出一个解释：

BIO | NIO | AIO，本身的描述都是在Java语言的基础上的。而描述IO，我们需要从两个层面：

1.  编程语言
2.  实现原理
3.  底层基础

## 从编程语言层面 ##

BIO | NIO | AIO 以Java的角度，理解，linux c里也有AIO的概念(库)，这些概念不知道什么原因被炒火起来，这里只从Java角度入手。

*  BIO，同步阻塞式IO，简单理解：一个连接一个线程
 *  NIO，同步非阻塞IO，简单理解：一个请求一个线程
 *  AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程

## BIO ##

在JDK1.4之前，用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，然后，客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理，如果没有，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

## NIO ##

在Java里的由来，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O，我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成：缓冲区（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候，需要区分，说的是New I/O还是非阻塞IO,New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题： 在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。   
也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

> 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。 NioSelectorServer 代码里如下几个方法非常重要，我们从Hotspot与Linux内核函数级别来理解下
> 
> 1、 Selector.open() //创建多路复用器
> 
> 2、 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP\_READ) //将channel注册到多路复用器上
> 
> 3、 selector.select() //阻塞等待需要处理的事件发生

## AIO ##

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用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。   
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

其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。

## 实现原理 ##

说道实现原理，还要从操作系统的IO模型上了解

> 按照《Unix网络编程》的划分，IO模型可以分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步IO和异步IO。如何区分呢？首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

收到操作系统的IO模型，又不得不提select/poll/epoll/iocp，关于这四个的理解，不多做解释，自己还没理解到位。

可以理解的说明是：在Linux 2.6以后，java NIO的实现，是通过epoll来实现的，这点可以通过jdk的源代码发现。而AIO，在windows上是通过IOCP实现的，在linux上还是通过epoll来实现的。

这里强调一点：AIO，这是I/O处理模式，而epoll等都是实现AIO的一种编程模型；换句话说，AIO是一种接口标准，各家操作系统可以实现也可以不实现。在不同操作系统上在高并发情况下最好都采用操作系统推荐的方式。Linux上还没有真正实现网络方式的AIO。

## 底层基础 ##

说到底层，要说Linux系统编程，这里自己也不熟悉，有待后来人补充了。   
只笼统的说一个：AIO实现

在windows上，AIO的实现是通过IOCP来完成的，看JDK的源代码，可以发现

> WindowsAsynchronousSocketChannelImpl

看实现接口：

> implements Iocp.OverlappedChannel

再看实现方法：里面的read0/write0方法是native方法，调用的jvm底层实现，虚拟机技术不熟悉，不献丑了。

在linux上，AIO的实现是通过epoll来完成的，看JDK源码，可以发现，实现源码是：

> UnixAsynchronousSocketChannelImpl

看实现接口：

> implements Port.PollableChannel

这是与windows最大的区别，poll的实现，在linux2.6后，默认使用epoll。

这样就可以理解了。

写在最后：Java开发为基础的，对于操作系统底层的认知是没有C语言为基础的大牛好的，语言决定了思维方式，古人诚不欺我

最后，几篇解释的不错的文章：

[BIO NIO AIO][]

[NIO.2 入门，第 1 部分: 异步通道 API][NIO.2 _ 1 _ _ API]

[使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能][I_O]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220714/195782246645477dafac48c9fdadbd10.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220714/88aa51ab4ce24180bf4281c540cc280a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220714/3c140f4219d34e8eb52b93bc592b7042.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbXBsZW11cnJpbmE_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220714/b70fe99d676847378e7098e552b2cbdb.png
[BIO NIO AIO]: http://blog.sina.com.cn/s/blog_aed82f6f010194ky.html
[NIO.2 _ 1 _ _ API]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-nio2-1/
[I_O]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/