I/O 类型

  • 阻塞 I/O：用户线程发起 I/O 操作后，内核在检查数据过程中用户线程一直阻塞，直到内核将数据复制到用户线程；

    1. data = socket.read()；

  • 非阻塞 I/O：用户线程发起 I/O 操作后，可以马上得到内核返回，若返回值说明数据未到则稍后用户线程再发起 I/O 操作，用户线程需要轮询内核；

    1. while(true) {
    2.   data = socket.read();
    3.   if(data == true) {
    4.       // 内核数据已来，处理数据
    5.       break;
    6.   } else {
    7.       // 内核数据未来，用户线程可以进行其他工作
    8.   }
    9. }

  • 多路复用 I/O：使用一个 Selector 线程在内核中不断轮询，在有 I/O 数据来的时候才通知用户线程进行 I/O 操作，由于只管理 I/O 的轮询，因此业务操作转发给其他线程处理；

  • 信号驱动 I/O：用户线程发起 I/O 操作后，为该 socket 注册一个信号，内核准备好数据后发送信号到用户线程来调用 I/O 中的数据；

  • 异步 I/O：用户线程发起 I/O 操作后，内核直接返回一个状态说明是否请求成功，之后是信号驱动 I/O 的流程；由于发起请求和数据读取都在内核中完成，期间用户线程不需要等待。

    Java NIO

    NIO 与 I/O 区别

  • I/O 面向 Stream，NIO 面向 Buffer：Stream 中无法前后移动数据； NIO 是从 Channel 读到 Buffer 或者从 Buffer 写入 Channel 的过程，可以前后移动数据，避免粘包、拆包等情况，在网络不可靠情况下好用；

  • I/O 阻塞式，NIO 非阻塞式：I/O 调用 write() 或 read() 时需要阻塞；NIO 通过 Selector 监听 Channel 上的变化，有数据时使用 Buffer 读，没数据时执行其他操作，写数据时异步将 Buffer 的数据写到 Channel 上，用户线程无需等待。

    NIO 核心

    Selector

    核心是多路复用 I/O 中的 Selector 线程，监听的是 Channel 上的事件（连接打开或数据到达）。
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    Selector 工作模式

    Channel 与 Buffer

    Buffer 是个容器，用于存储 Channel 来的数据和将数据发到双向流 Channel，C/S 架构中的流程是：Client -> ClientBuffer -> ClientChannel -> ServerChannel -> ServerBuffer -> Server。

  • Channel：

    • UDP：DatagramChannel；
    • TCP：SocketChannel（客户端）和 ServerSocketChannel（服务端）；
    • 文件：FileChannel。
  • Buffer：ByteBuffer、IntBuffer、CharBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer（基本数据类型的 Buffer）。

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Channel 与 Buffer 工作模式

Reactor

单线程模型

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Reactor 单线程模型

  • 模块
    • Client：NIO 客户端，向服务器发起 TCP 连接并发送数据；
    • Acceptor：与 Client 建立连接；
    • Dispatcher：接收 Client 数据并以 ByteBuffer 的形式发送到 DecodeHandler；
    • DecodeHandler：解码器，读取 Client 的数据，对消息进行解码、处理、应答；
    • EncodeHandler：编码器，将返回给 Client 的数据编码并写入 Channel。
  • 流程
    1. Acceptor 接收 Client 的 TCP 请求并建立连接；
    2. Dispatcher 将收到的消息写入 ByteBuffer 并分配到 DecodeHandler 进行处理；
    3. 消息处理后使用 EncodeHandler 将响应消息返回。
  • 总结
    • Dispatcher 与 Handler 之间的交互就是 Channel 与 Buffer 的交互流程。

      多线程模型

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      Reactor 多线程模型
      将单线程模型的 Dispatcher 由原来的单线程执行，变为使用线程池实现 Dispatcher 的任务，可以处理更多 Client 的请求。

      主从线程模型

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      Reactor 主从线程模型
      将多线程模型的 Acceptor 也使用线程池实现，并且只负责建立连接，连接建立成功后在 SubReactor 的线程池的某个线程中注册一个 SocketChannel，后续该线程负责 I/O 操作，这样连接建立和消息响应都是异步的。