Java NIO 同步非阻塞IO

た入场券 2022-05-29 07:13 180阅读 0赞

*   *  [Java NIO][]
        
         *  [Channel 和 Buffer][Channel _ Buffer]
         *  [Selector][]
     *  [Java NIO和IO的主要区别][Java NIO_IO]
        
         *  [面向流与面向缓冲][Link 1]
         *  [阻塞与非阻塞IO][IO]
         *  [选择器（Selectors）][Selectors]
         *  [总结][Link 2]
     *  [IO/NIO/AIO][IO_NIO_AIO]
        
         *  [区别][Link 3]
            
             *  [NIO][]
             *  [AIO][]
         *  [BIO、NIO、AIO适用场景][BIO_NIO_AIO]

## Java NIO ##

Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。

NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

### Channel 和 Buffer ###

所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流，但流是单向的，Channel是双向的。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。

![这里写图片描述][SouthEast]

Channel和Buffer有好几种类型。

下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

*  FileChannel
 *  DatagramChannel
 *  SocketChannel
 *  ServerSocketChannel

正如看到的，这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

以下是Java NIO里关键的Buffer实现：

*  ByteBuffer
 *  CharBuffer
 *  DoubleBuffer
 *  FloatBuffer
 *  IntBuffer
 *  LongBuffer
 *  ShortBuffer

这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

### Selector ###

Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

![这里写图片描述][SouthEast 1]

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

## Java NIO和IO的主要区别 ##

### 面向流与面向缓冲 ###

Java NIO和IO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。

### 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）。

### 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，你可以注册多个通道使用一个选择器，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。

### 总结 ###

Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：

*  Channels and Buffers（通道和缓冲区）：标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。
 *  Asynchronous IO（异步IO）：Java NIO可以让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。
 *  Selectors（选择器）：Java NIO引入了选择器的概念，服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象，我们称之为Selector选择器，该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件（比如：连接打开，数据到达）。   
    Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。   
    以服务端为例，如果服务端的Selector上注册了读事件，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，如果是阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在Selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问Selector，如果访问Selector时发现有感兴趣的事件到达，则处理这些事件，如果没有感兴趣的事件到达，则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。

> 总结简化   
> 1. NIO面向双向通道Channel和缓冲区Buffer，而非单向的字节/字符流。传统IO传递字节/字符数组，NIO传递Buffer缓冲区。   
> 2. 非阻塞（使用多路复用，轮询，事件驱动机制实现）：NIO提供选择器Selector，由一个专门的线程（多路复用）来处理所有的 IO 事件，首先需要向Selector注册Channel及事件类型，Selector轮询访问注册的Channel，当发现某一个channel所注册的事件发生，他就会通知唤醒（wait/notify）处理线程，传回一组SelectionKey，我们读取这些Key，就会获得我们刚刚注册过的SocketChannel，然后去读Channel的内容。   
> 3. 线程通讯：线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

NIO的优势不在传输速度，体现在服务端，增加服务端的处理并发量。

NIO相对于传统IO代码量剧增，所以一般使用封装好的NIO框架，如Netty，Mina等。

## IO/NIO/AIO ##

### 区别 ###

io、nio、aio的区别，类似于resin、apache、nginx在io处理上的区别，从多线程互不干扰的阻塞式执行(resin)，到轮询式的同步非阻塞式（apache），再到异步非阻塞式（nginx）。

#### NIO ####

非阻塞同步IO(NIO)指的是用户调用读写方法是不阻塞的，立刻返回的，而且需要用户线程来检查IO状态。需要注意的是，如果发现有可以操作的IO，那么实际用户进程还是会阻塞等待内核复制数据到用户进程，它与同步阻塞IO的区别是后者全程等待。

非阻塞同步IO由于读写方法非阻塞，并且需要用户自己来进行读写，所以每次调用读写方法实际读写的字节数是不确定的，所以需要一个Buffer来保存每次读写的字节状态。更重要的是用户不知道什么时候完成了读写，一般需要用while循环判断Buffer的状态来跟踪读写。

#### AIO ####

非阻塞异步IO(AIO)指的是用户调用读写方法是不阻塞的，立刻返回，而且用户不需要关注读写，只需要提供回调操作，内核线程在完成读写后回调用户提供的callback。

非阻塞异步IO由于是内核线程进行读写，并且在IO完成后会回调用户提供的callback，编程模型就比较简单，用户只需要调用读写，提供回调就可以了，比如 read(filename, callback)

select / poll / epoll 从本质上说都是非阻塞同步IO，select会收到IO就绪的状态，然后通知用户去处理IO，实际的IO操作还需要用户等待内核复制操作。

要理解IO就绪和完成的区别。就绪指的是还需要用户自己去处理，完成指的是内核帮助完成了，用户不用关心IO过程，只需要提供回调函数。

理解了非阻塞同步IO和非阻塞异步IO的区别之后，就不难理解Java NIO的设计了。NIO是围绕ByteBuffer来进行读写的，ByteBuffer是一个缓冲区，用来记录读写的状态，通过多次检查ByteBuffer的状态来确定IO是否完成。

Java 1.7的NIO2.0 引入了非阻塞异步IO的概念，编程模型大大简化了。用户只需要关注回调函数即可。

### BIO、NIO、AIO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。

[Java NIO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#java-nio
[Channel _ Buffer]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#channel-%E5%92%8C-buffer
[Selector]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#selector
[Java NIO_IO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#java-nio%E5%92%8Cio%E7%9A%84%E4%B8%BB%E8%A6%81%E5%8C%BA%E5%88%AB
[Link 1]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#%E9%9D%A2%E5%90%91%E6%B5%81%E4%B8%8E%E9%9D%A2%E5%90%91%E7%BC%93%E5%86%B2
[IO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#%E9%98%BB%E5%A1%9E%E4%B8%8E%E9%9D%9E%E9%98%BB%E5%A1%9Eio
[Selectors]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#%E9%80%89%E6%8B%A9%E5%99%A8selectors
[Link 2]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#%E6%80%BB%E7%BB%93
[IO_NIO_AIO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#ionioaio
[Link 3]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#%E5%8C%BA%E5%88%AB
[NIO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#nio
[AIO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#aio
[BIO_NIO_AIO]: http://blog.csdn.net/sinat_37138973/article/details/79597698#bionioaio%E9%80%82%E7%94%A8%E5%9C%BA%E6%99%AF
[SouthEast]: /images/20220529/62dc1bb6655e4f5db1b80f7e9d76a15b.png
[SouthEast 1]: /images/20220529/7d40a662664c49c5827201652e28c9fe.png