Java中IO的模型分為三種，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、異步非阻塞的AIO。

BIO【同步阻塞】

在JDK1.4出來之前，我們建立網(wǎng)絡(luò)連接的時(shí)候采用BIO模式，需要先在服務(wù)端啟動(dòng)一個(gè)ServerSocket，然后在客戶端啟動(dòng)Socket來對服務(wù)端進(jìn)行通信，默認(rèn)情況下服務(wù)端需要對每個(gè)請求建立一堆線程等待請求，而客戶端發(fā)送請求后，先咨詢服務(wù)端是否有線程相應(yīng)，如果沒有則會(huì)一直等待或者遭到拒絕請求，如果有的話，客戶端會(huì)線程會(huì)等待請求結(jié)束后才繼續(xù)執(zhí)行。

NIO【同步非阻塞】

NIO本身是基于事件驅(qū)動(dòng)思想來完成的，其主要想解決的是BIO的大并發(fā)問題： 在使用同步I/O的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如果要同時(shí)處理多個(gè)客戶端請求，或是在客戶端要同時(shí)和多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行通訊，就必須使用多線程來處理。也就是說，將每一個(gè)客戶端請求分配給一個(gè)線程來單獨(dú)處理。這樣做雖然可以達(dá)到我們的要求，但同時(shí)又會(huì)帶來另外一個(gè)問題。由于每創(chuàng)建一個(gè)線程，就要為這個(gè)線程分配一定的內(nèi)存空間（也叫工作存儲器），而且操作系統(tǒng)本身也對線程的總數(shù)有一定的限制。如果客戶端的請求過多，服務(wù)端程序可能會(huì)因?yàn)椴豢爸刎?fù)而拒絕客戶端的請求，甚至服務(wù)器可能會(huì)因此而癱瘓。

NIO基于Reactor，當(dāng)socket有流可讀或可寫入socket時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)的通知引用程序進(jìn)行處理，應(yīng)用再將流讀取到緩沖區(qū)或?qū)懭氩僮飨到y(tǒng)。 也就是說，這個(gè)時(shí)候，已經(jīng)不是一個(gè)連接就要對應(yīng)一個(gè)處理線程了，而是有效的請求，對應(yīng)一個(gè)線程，當(dāng)連接沒有數(shù)據(jù)時(shí)，是沒有工作線程來處理的。

BIO與NIO一個(gè)比較重要的不同，是我們使用BIO的時(shí)候往往會(huì)引入多線程，每個(gè)連接一個(gè)單獨(dú)的線程；而NIO則是使用單線程或者只使用少量的多線程，每個(gè)連接共用一個(gè)線程。

NIO的最重要的地方是當(dāng)一個(gè)連接創(chuàng)建后，不需要對應(yīng)一個(gè)線程，這個(gè)連接會(huì)被注冊到多路復(fù)用器上面，所以所有的連接只需要一個(gè)線程就可以搞定，當(dāng)這個(gè)線程中的多路復(fù)用器進(jìn)行輪詢的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)連接上有請求的話，才開啟一個(gè)線程進(jìn)行處理，也就是一個(gè)請求一個(gè)線程模式。

在NIO的處理方式中，當(dāng)一個(gè)請求來的話，開啟線程進(jìn)行處理，可能會(huì)等待后端應(yīng)用的資源(JDBC連接等)，其實(shí)這個(gè)線程就被阻塞了，當(dāng)并發(fā)上來的話，還是會(huì)有BIO一樣的問題。

HTTP/1.1出現(xiàn)后，有了Http長連接，這樣除了超時(shí)和指明特定關(guān)閉的http header外，這個(gè)鏈接是一直打開的狀態(tài)的，這樣在NIO處理中可以進(jìn)一步的進(jìn)化，在后端資源中可以實(shí)現(xiàn)資源池或者隊(duì)列，當(dāng)請求來的話，開啟的線程把請求和請求數(shù)據(jù)傳送給后端資源池或者隊(duì)列里面就返回，并且在全局的地方保持住這個(gè)現(xiàn)場(哪個(gè)連接的哪個(gè)請求等)，這樣前面的線程還是可以去接受其他的請求，而后端的應(yīng)用的處理只需要執(zhí)行隊(duì)列里面的就可以了，這樣請求處理和后端應(yīng)用是異步的.當(dāng)后端處理完，到全局地方得到現(xiàn)場，產(chǎn)生響應(yīng)，這個(gè)就實(shí)現(xiàn)了異步處理。

AIO【異步非阻塞】

與NIO不同，當(dāng)進(jìn)行讀寫操作時(shí)，只須直接調(diào)用API的read或write方法即可。這兩種方法均為異步的，對于讀操作而言，當(dāng)有流可讀取時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將可讀的流傳入read方法的緩沖區(qū)，并通知應(yīng)用程序；對于寫操作而言，當(dāng)操作系統(tǒng)將write方法傳遞的流寫入完畢時(shí)，操作系統(tǒng)主動(dòng)通知應(yīng)用程序。 即可以理解為，read/write方法都是異步的，完成后會(huì)主動(dòng)調(diào)用回調(diào)函數(shù)。 在JDK1.7中，這部分內(nèi)容被稱作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四個(gè)異步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，會(huì)返回一個(gè)帶回調(diào)函數(shù)的對象，當(dāng)執(zhí)行完讀取/寫入操作后，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

• BIO是一個(gè)連接一個(gè)線程。
• NIO是一個(gè)請求一個(gè)線程。
• AIO是一個(gè)有效請求一個(gè)線程。
  

先來個(gè)例子理解一下概念

以銀行取款為例：

• **同步 ： **自己親自出馬持銀行卡到銀行取錢（使用同步IO時(shí)，Java自己處理IO讀寫）；
• **異步 ： **委托一小弟拿銀行卡到銀行取錢，然后給你（使用異步IO時(shí)，Java將IO讀寫委托給OS處理，需要將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址和大小傳給OS(銀行卡和密碼)，OS需要支持異步IO操作API）；
• 阻塞 ： ATM排隊(duì)取款，你只能等待（使用阻塞IO時(shí)，Java調(diào)用會(huì)一直阻塞到讀寫完成才返回）；
• 非阻塞 ： 柜臺取款，取個(gè)號，然后坐在椅子上做其它事，等號廣播會(huì)通知你辦理，沒到號你就不能去，你可以不斷問大堂經(jīng)理排到了沒有，大堂經(jīng)理如果說還沒到你就不能去（使用非阻塞IO時(shí)，如果不能讀寫Java調(diào)用會(huì)馬上返回，當(dāng)IO事件分發(fā)器會(huì)通知可讀寫時(shí)再繼續(xù)進(jìn)行讀寫，不斷循環(huán)直到讀寫完成）
  

Java對BIO、NIO、AIO的支持：

• **Java BIO ： **同步并阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)連接一個(gè)線程，即客戶端有連接請求時(shí)服務(wù)器端就需要啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理，如果這個(gè)連接不做任何事情會(huì)造成不必要的線程開銷，當(dāng)然可以通過線程池機(jī)制改善。
• Java NIO ： 同步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)請求一個(gè)線程，即客戶端發(fā)送的連接請求都會(huì)注冊到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請求時(shí)才啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理。
• Java AIO(NIO.2) ： 異步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)有效請求一個(gè)線程，客戶端的I/O請求都是由OS先完成了再通知服務(wù)器應(yīng)用去啟動(dòng)線程進(jìn)行處理，
  

BIO、NIO、AIO適用場景分析:

• BIO方式適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，這種方式對服務(wù)器資源要求比較高，并發(fā)局限于應(yīng)用中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程序直觀簡單易理解。
• NIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短（輕操作）的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器，并發(fā)局限于應(yīng)用中，編程比較復(fù)雜，JDK1.4開始支持。
• AIO方式使用于連接數(shù)目多且連接比較長（重操作）的架構(gòu)，比如相冊服務(wù)器，充分調(diào)用OS參與并發(fā)操作，編程比較復(fù)雜，JDK7開始支持。
• 另外，I/O屬于底層操作，需要操作系統(tǒng)支持，并發(fā)也需要操作系統(tǒng)的支持，所以性能方面不同操作系統(tǒng)差異會(huì)比較明顯。
• 在高性能的I/O設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)比較著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor運(yùn)用于異步I/O操作。

在比較這兩個(gè)模式之前，我們首先的搞明白幾個(gè)概念，什么是阻塞和非阻塞，什么是同步和異步,同步和異步是針對應(yīng)用程序和內(nèi)核的交互而言的，同步指的是用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否就緒，而異步是指用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作以后便開始做自己的事情，而當(dāng)IO操作已經(jīng)完成的時(shí)候會(huì)得到IO完成的通知。

而阻塞和非阻塞是針對于進(jìn)程在訪問數(shù)據(jù)的時(shí)候，根據(jù)IO操作的就緒狀態(tài)來采取的不同方式，說白了是一種讀取或者寫入操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數(shù)將一直等待，而非阻塞方式下，讀取或者寫入函數(shù)會(huì)立即返回一個(gè)狀態(tài)值。

一般來說I/O模型可以分為：同步阻塞，同步非阻塞，異步阻塞，異步非阻塞

• 同步阻塞IO：在此種方式下，用戶進(jìn)程在發(fā)起一個(gè)IO操作以后，必須等待IO操作的完成，只有當(dāng)真正完成了IO操作以后，用戶進(jìn)程才能運(yùn)行。JAVA傳統(tǒng)的IO模型屬于此種方式！
• 同步非阻塞IO:在此種方式下，用戶進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO操作以后邊可返回做其它事情，但是用戶進(jìn)程需要時(shí)不時(shí)的詢問IO操作是否就緒，這就要求用戶進(jìn)程不停的去詢問，從而引入不必要的CPU資源浪費(fèi)。其中目前JAVA的NIO就屬于同步非阻塞IO。
• 異步阻塞IO：此種方式下是指應(yīng)用發(fā)起一個(gè)IO操作以后，不等待內(nèi)核IO操作的完成，等內(nèi)核完成IO操作以后會(huì)通知應(yīng)用程序，這其實(shí)就是同步和異步最關(guān)鍵的區(qū)別，同步必須等待或者主動(dòng)的去詢問IO是否完成，那么為什么說是阻塞的呢？因?yàn)榇藭r(shí)是通過select系統(tǒng)調(diào)用來完成的，而select函數(shù)本身的實(shí)現(xiàn)方式是阻塞的，而采用select函數(shù)有個(gè)好處就是它可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)文件句柄，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性！
• 異步非阻塞IO:在此種模式下，用戶進(jìn)程只需要發(fā)起一個(gè)IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，應(yīng)用程序會(huì)得到IO操作完成的通知，此時(shí)用戶進(jìn)程只需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就好了，不需要進(jìn)行實(shí)際的IO讀寫操作，因?yàn)檎嬲腎O讀取或者寫入操作已經(jīng)由內(nèi)核完成了。目前Java中還沒有支持此種IO模型。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

最新評論