Java 共支持 3 种网络编程的/IO 模型：BIO、NIO、AIO

IO模型

BIO

同步并阻塞(传统阻塞型)
服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销
image-20200615181255063.png

NIO

同步非阻塞
服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求就进行处理
image-20200615180441015.png

AIO

异步非阻塞
服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

BIO、NIO、AIO 适用场景分析

  • 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，弹幕系统，服务器间通讯等。
  • 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

  • Java NIO（New IO）也有人称之为 java non-blocking 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与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其他事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。
  • NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
  • NIO 有三大核心部分：Channel( 通道) ，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)
  • Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，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。

  • 通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 1000 个请求过来,根据实际情况，可以分配20 或者 80个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 1000 个。

    NIO 和 BIO 的比较

  • BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多

  • BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
  • BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)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。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道 | 面向缓冲区（Buffer） | 面向流（Stream） | | —- | —- | | 非阻塞（Non Blocking IO） | 阻塞IO(Blocking IO) | | NIO | BIO | | 选择器（Selectors） | |

NIO 三大核心

  • Channel( 通道)
  • Buffer( 缓冲区)

  • Selector( 选择器)

    Buffer缓冲区

    缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作，Buffer API更加容易操作和管理。
    image-20200619163952309.png
    Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根 据数据类型不同 ，有以下 Buffer 常用子类：

  • ByteBuffer

  • CharBuffer
  • ShortBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • FloatBuffer
  • DoubleBuffer

上述 Buffer 类 他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自 管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer 对象：

  1. static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为capacity 的 XxxBuffer 对象

缓冲区的基本属性

  • 容量 (capacity) ：作为一个内存块，Buffer具有一定的固定大小，也称为”容量”，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。
  • 限制 (limit)：表示缓冲区中可以操作数据的大小（limit 后数据不能进行读写）。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。 写入模式，限制等于buffer的容量。读取模式下，limit等于写入的数据量。
  • 位置 (position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为 负，并且不能大于其限制
  • 标记 (mark)与重置 (reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法 指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这 个 position.标记、位置、限制、容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
  • image-20200619172434538.png使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤
    • 写入数据到Buffer
    • 调用flip()方法，转换为读取模式
    • 从Buffer中读取数据
    • 调用buffer.clear()方法或者buffer.compact()方法清除缓冲区

直接与非直接缓冲区

byte byffer可以是两种类型，一种是基于直接内存（也就是非堆内存）；另一种是非直接内存（也就是堆内存）。对于直接内存来说，JVM将会在IO操作上具有更高的性能，因为它直接作用于本地系统的IO操作。而非直接内存，也就是堆内存中的数据，如果要作IO操作，会先从本进程内存复制到直接内存，再利用本地IO处理。

  • 从数据流的角度，非直接内存是下面这样的作用链：
    • 本地IO—>直接内存—>非直接内存—>直接内存—>本地IO
  • 而直接内存是
    • 本地IO—>直接内存—>本地IO

很明显，在做IO处理时，比如网络发送大量数据时，直接内存会具有更高的效率。直接内存使用allocateDirect创建，但是它比申请普通的堆内存需要耗费更高的性能。不过，这部分的数据是在JVM之外的，因此它不会占用应用的内存。所以呢，当你有很大的数据要缓存，并且它的生命周期又很长，那么就比较适合使用直接内存。只是一般来说，如果不是能带来很明显的性能提升，还是推荐直接使用堆内存。字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。

  • 使用场景
    • 有很大的数据需要存储，它的生命周期又很长
    • 适合频繁的IO操作，比如网络并发场景

Channel(通道)

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的（input或output)读写通常是单向的。 通道可以非阻塞读取和写入通道，通道可以支持读取或写入缓冲区，也支持异步地读写。

常用的Channel实现类

  • FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道
  • DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
  • SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。 【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

Selector选择器

Selector是 一个Java NIO组件，可以能够检查一个或多个 NIO 通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接，提高效率

image-20200619153658139.png

  • 每个 channel 都会对应一个 Buffer
  • 一个线程对应Selector ， 一个Selector对应多个 channel(连接)
  • 程序切换到哪个 channel 是由事件决定的
  • Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
  • Buffer 就是一个内存块 ， 底层是一个数组
  • 数据的读取写入是通过 Buffer完成的 , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写。
  • Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、 套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取 用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲 区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之，Channel 负责传输， Buffer 负责存取数据

选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心

image-20200619230246145.png

  • Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)
  • Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
  • 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程
  • 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

AIO

异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

  • 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,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