深入理解BIO、NIO、AIO

2019-01-07 本文已影响0人 tanghomvee

同/异步 + 阻/非阻塞的性能区别；BIO、NIO、AIO 的区别；理解和实现 NIO 操作 Socket 时的多路复用；同时掌握 IO 最底层最核心的操作技巧。

BIO、NIO、AIO 的区别是什么？

同步/异步、阻塞/非阻塞的区别是什么？

文件读写最优雅的实现方式是什么？

NIO 如何实现多路复用功能？

带着以上这几个问题，让我们一起进入IO的世界吧。

在开始之前，我们先来思考一个问题：我们经常所说的“IO”的全称到底是什么？

可能很多人看到这个问题和我一样一脸懵逼，IO的全称其实是：Input/Output的缩写。

一、IO 介绍

我们通常所说的 BIO 是相对于 NIO 来说的，BIO 也就是 Java 开始之初推出的 IO 操作模块，BIO 是 BlockingIO 的缩写，顾名思义就是阻塞 IO 的意思。

1.1 BIO、NIO、AIO的区别

BIO 就是传统的 java.io 包，它是基于流模型实现的，交互的方式是同步、阻塞方式，也就是说在读入输入流或者输出流时，在读写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用时可靠的线性顺序。它的优点就是代码比较简单、直观；缺点就是 IO 的效率和扩展性很低，容易成为应用性能瓶颈。
NIO 是 Java 1.4 引入的 java.nio 包，提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层高性能的数据操作方式。
AIO 是 Java 1.7 之后引入的包，是 NIO 的升级版本，提供了异步非堵塞的 IO 操作方式，所以人们叫它 AIO（Asynchronous IO），异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

1.2 全面认识 IO

传统的 IO 大致可以分为4种类型：

InputStream、OutputStream 基于字节操作的 IO
Writer、Reader 基于字符操作的 IO
File 基于磁盘操作的 IO
Socket 基于网络操作的 IO

java.net 下提供的 Scoket 很多时候人们也把它归为同步阻塞 IO ,因为网络通讯同样是 IO 行为。

java.io 下的类和接口很多，但大体都是 InputStream、OutputStream、Writer、Reader 的子集，所有掌握这4个类和File的使用，是用好 IO 的关键。

1.3 IO 使用

接下来看 InputStream、OutputStream、Writer、Reader 的继承关系图和使用示例。

1.3.1 InputStream 使用

继承关系图和类方法，如下图：

image

InputStream 使用示例：

InputStream inputStream = new FileInputStream("D:\\log.txt");
byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
inputStream.read(bytes);
String str = new String(bytes, "utf-8");
System.out.println(str);
inputStream.close();

1.3.2 OutputStream 使用

继承关系图和类方法，如下图：

image

OutputStream 使用示例：

OutputStream outputStream = new FileOutputStream("D:\\log.txt",true); // 参数二，表示是否追加，true=追加
outputStream.write("你好，老王".getBytes("utf-8"));
outputStream.close();

1.3.3 Writer 使用

Writer 继承关系图和类方法，如下图：

image

Writer 使用示例：

Writer writer = new FileWriter("D:\\log.txt",true); // 参数二，是否追加文件，true=追加
writer.append("老王，你好");
writer.close();

1.3.4 Reader 使用

Reader 继承关系图和类方法，如下图：

image

Reader 使用示例：

Reader reader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
StringBuffer bf = new StringBuffer();
String str;
while ((str = bufferedReader.readLine()) != null) {
   bf.append(str + "\n");
}
bufferedReader.close();
reader.close();
System.out.println(bf.toString());

二、同步、异步、阻塞、非阻塞

上面说了很多关于同步、异步、阻塞和非阻塞的概念，接下来就具体聊一下它们4个的含义，以及组合之后形成的性能分析。

2.1 同步与异步

同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。而异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。我们可以用打电话和发短信来很好的比喻同步与异步操作。

2.2 阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

由此可见阻塞与非阻塞主要是从 CPU 的消耗上来说的，阻塞就是 CPU 停下来等待一个慢的操作完成 CPU 才接着完成其它的事。非阻塞就是在这个慢的操作在执行时 CPU 去干其它别的事，等这个慢的操作完成时，CPU 再接着完成后续的操作。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

阻塞IO模型

非阻塞IO模型

2.3 同/异、阻/非堵塞组合

同/异、阻/非堵塞的组合，有四种类型，如下表：

组合方式	性能分析
同步阻塞	最常用的一种用法，使用也是最简单的，但是 I/O 性能一般很差，CPU 大部分在空闲状态。
同步非阻塞	提升 I/O 性能的常用手段，就是将 I/O 的阻塞改成非阻塞方式，尤其在网络 I/O 是长连接，同时传输数据也不是很多的情况下，提升性能非常有效。这种方式通常能提升 I/O 性能，但是会增加CPU 消耗，要考虑增加的 I/O 性能能不能补偿 CPU 的消耗，也就是系统的瓶颈是在 I/O 还是在 CPU 上。
异步阻塞	这种方式在分布式数据库中经常用到，例如在网一个分布式数据库中写一条记录，通常会有一份是同步阻塞的记录，而还有两至三份是备份记录会写到其它机器上，这些备份记录通常都是采用异步阻塞的方式写 I/O。异步阻塞对网络 I/O 能够提升效率，尤其像上面这种同时写多份相同数据的情况。
异步非阻塞	这种组合方式用起来比较复杂，只有在一些非常复杂的分布式情况下使用，像集群之间的消息同步机制一般用这种 I/O 组合方式。如 Cassandra 的 Gossip 通信机制就是采用异步非阻塞的方式。它适合同时要传多份相同的数据到集群中不同的机器，同时数据的传输量虽然不大，但是却非常频繁。这种网络 I/O 用这个方式性能能达到最高。

三、优雅的文件读写

Java 7 之前文件的读取是这样的：

// 添加文件
FileWriter fileWriter = new FileWriter(filePath, true);
fileWriter.write(Content);
fileWriter.close();

// 读取文件
FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
StringBuffer bf = new StringBuffer();
String str;
while ((str = bufferedReader.readLine()) != null) {
   bf.append(str + "\n");
}
bufferedReader.close();
fileReader.close();
System.out.println(bf.toString());

Java 7 引入了Files（java.nio包下）的，大大简化了文件的读写，如下：

// 写入文件（追加方式：StandardOpenOption.APPEND）
Files.write(Paths.get(filePath), Content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8),StandardOpenOption.APPEND);

// 读取文件
byte[] data = Files.readAllBytes(Paths.get(filePath));
System.out.println(new String(data, StandardCharsets.UTF_8));

读写文件都是一行代码搞定，没错这就是最优雅的文件操作。

Files 下还有很多有用的方法，比如创建多层文件夹，写法上也简单了：

// 创建多（单）层目录（如果不存在创建，存在不会报错）
new File("D://a//b").mkdirs();

四、Socket 和 NIO 的多路复用

本节带你实现最基础的 Socket 的同时，同时会实现 NIO 多路复用，还有 AIO 中 Socket 的实现。

关于NIO，国内有很多技术博客将英文翻译成No-Blocking I/O，非阻塞I/O模型，当然这样就与BIO形成了鲜明的特性对比。NIO本身是基于事件驱动的思想来实现的，其目的就是解决BIO的大并发问题，在BIO模型中，如果需要并发处理多个I/O请求，那就需要多线程来支持，NIO使用了多路复用器机制，以socket使用来说，多路复用器通过不断轮询各个连接的状态，只有在socket有流可读或者可写时，应用程序才需要去处理它，在线程的使用上，就不需要一个连接就必须使用一个处理线程了，而是只是有效请求时（确实需要进行I/O处理时），才会使用一个线程去处理，这样就避免了BIO模型下大量线程处于阻塞等待状态的情景。

相对于BIO的流，NIO抽象出了新的通道（Channel）作为输入输出的通道，并且提供了缓存（Buffer）的支持，在进行读操作时，需要使用Buffer分配空间，然后将数据从Channel中读入Buffer中，对于Channel的写操作，也需要现将数据写入Buffer，然后将Buffer写入Channel中。

如下是NIO方式进行文件拷贝操作的示例，见下图：

image

通过比较New IO的使用方式我们可以发现，新的IO操作不再面向 Stream来进行操作了，改为了通道Channel，并且使用了更加灵活的缓存区类Buffer，Buffer只是缓存区定义接口，根据需要，我们可以选择对应类型的缓存区实现类。在java NIO编程中，我们需要理解以下3个对象Channel、Buffer和Selector。

Channel

首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream。而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作，NIO中的Channel的主要实现有：FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel；通过看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、 FloatBuffer、IntBuffer、 LongBuffer,、ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte、char、double、 float、int、 long、 short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等这里先不具体陈述其用法细节。

说一下 DirectByteBuffer 与 HeapByteBuffer 的区别？

它们 ByteBuffer 分配内存的两种方式。HeapByteBuffer 顾名思义其内存空间在 JVM 的 heap（堆）上分配，可以看做是 jdk 对于 byte[] 数组的封装；而 DirectByteBuffer 则直接利用了系统接口进行内存申请，其内存分配在c heap 中，这样就减少了内存之间的拷贝操作，如此一来，在使用 DirectByteBuffer 时，系统就可以直接从内存将数据写入到 Channel 中，而无需进行 Java 堆的内存申请，复制等操作，提高了性能。既然如此，为什么不直接使用 DirectByteBuffer，还要来个 HeapByteBuffer？原因在于， DirectByteBuffer 是通过full gc来回收内存的，DirectByteBuffer会自己检测情况而调用 system.gc()，但是如果参数中使用了 DisableExplicitGC 那么就无法回收该快内存了，-XX:+DisableExplicitGC标志自动将 System.gc() 调用转换成一个空操作，就是应用中调用 System.gc() 会变成一个空操作，那么如果设置了就需要我们手动来回收内存了，所以DirectByteBuffer使用起来相对于完全托管于 java 内存管理的Heap ByteBuffer 来说更复杂一些，如果用不好可能会引起OOM。Direct ByteBuffer 的内存大小受 -XX:MaxDirectMemorySize JVM 参数控制（默认大小64M），在 DirectByteBuffer 申请内存空间达到该设置大小后，会触发 Full GC。

Selector

Selector 是NIO相对于BIO实现多路复用的基础，Selector 运行单线程处理多个 Channel，如果你的应用打开了多个通道，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。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，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

这里我们再来看一个NIO模型下的TCP服务器的实现，我们可以看到Selector 正是NIO模型下 TCP Server 实现IO复用的关键，请仔细理解下段代码while循环中的逻辑，见下图：

image

4.1 传统的 Socket 实现

接下来我们将会实现一个简单的 Socket，服务器端只发给客户端信息，再由客户端打印出来的例子，代码如下：

int port = 4343; //端口号
// Socket 服务器端（简单的发送信息）
Thread sThread = new Thread(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       try {
           ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
           while (true) {
               // 等待连接
               Socket socket = serverSocket.accept();
               Thread sHandlerThread = new Thread(new Runnable() {
                   @Override
                   public void run() {
                       try (PrintWriter printWriter = newPrintWriter(socket.getOutputStream())) {
                           printWriter.println("hello world！");
                           printWriter.flush();
                       } catch (IOException e) {
                           e.printStackTrace();
                       }
                   }
               });
               sHandlerThread.start();
           }
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
});
sThread.start();

// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
   BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(newInputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
   bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("客户端：" + s));
} catch (UnknownHostException e) {
   e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接；
利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取和打印；

在 Java 中，线程的实现是比较重量级的，所以线程的启动或者销毁是很消耗服务器的资源的，即使使用线程池来实现，使用上述传统的 Socket 方式，当连接数极具上升也会带来性能瓶颈，原因是线程的上线文切换开销会在高并发的时候体现的很明显，并且以上操作方式还是同步阻塞式的编程，性能问题在高并发的时候就会体现的尤为明显。

以上的流程，如下图：

image

4.2 NIO 多路复用

介于以上高并发的问题，NIO 的多路复用功能就显得意义非凡了。

NIO 是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的 Channel，来决定做什么，仅仅 select 阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。

// NIO 多路复用
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(4, 4,
       60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
threadPool.execute(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       try (Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) {
           serverSocketChannel.bind(newInetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
           serverSocketChannel.configureBlocking(false);
           serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
           while (true) {
               selector.select(); // 阻塞等待就绪的Channel
               Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
               Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
               while (iterator.hasNext()) {
                   SelectionKey key = iterator.next();
                   try (SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel)key.channel()).accept()) {
                       channel.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界"));
                   }
                   iterator.remove();
               }
           }
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
});

// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
   BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(newInputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
   bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("NIO 客户端：" + s));
} catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
}

首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色；
然后，创建一个 ServerSocketChannel，并且向 Selector 注册，通过指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求；
为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出 IllegalBlockingModeException 异常；
Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒；

下面的图，可以有效的说明 NIO 复用的流程：

image

就这样 NIO 的多路复用就大大提升了服务器端响应高并发的能力。

4.3 AIO 版 Socket 实现

Java 1.7 提供了 AIO 实现的 Socket 是这样的，如下代码：

// AIO线程复用版
Thread sThread = new Thread(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       AsynchronousChannelGroup group = null;
       try {
           group =AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(Executors.newFixedThreadPool(4));
           AsynchronousServerSocketChannel server =AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(newInetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
           server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,AsynchronousServerSocketChannel>() {
               @Override
               public void completed(AsynchronousSocketChannel result,AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
                   server.accept(null, this); // 接收下一个请求
                   try {
                       Future<Integer> f = result.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界"));
                       f.get();
                       System.out.println("服务端发送时间：" + newSimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));
                       result.close();
                   } catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) {
                       e.printStackTrace();
                   }
               }

               @Override
               public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannelattachment) {
               }
           });
           group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
       } catch (IOException | InterruptedException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
});
sThread.start();

// Socket 客户端
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
Future<Void> future = client.connect(newInetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
future.get();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
client.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
   @Override
   public void completed(Integer result, Void attachment) {
       System.out.println("客户端打印：" + new String(buffer.array()));
   }

   @Override
   public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
       exc.printStackTrace();
       try {
           client.close();
       } catch (IOException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
});
Thread.sleep(10 * 1000);

五、总结

以上基本就是 IO 从 1.0 到目前版本（本文的版本）JDK 8 的核心使用操作了，可以看出来 IO 作为比较常用的基础功能，发展变化的改动也很大，而且使用起来也越来越简单了，IO 的操作也是比较好理解的，一个输入一个输出，掌握好了输入输出也就掌握好了 IO，Socket 作为网络交互的集成功能，显然 NIO 的多路复用，给 Socket 带来了更多的活力和选择，用户可以根据自己的实际场景选择相应的代码策略。

深入理解BIO、NIO、AIO

一、IO 介绍

1.1 BIO、NIO、AIO的区别

1.2 全面认识 IO

1.3 IO 使用

1.3.1 InputStream 使用

1.3.2 OutputStream 使用

1.3.3 Writer 使用

1.3.4 Reader 使用

二、同步、异步、阻塞、非阻塞

2.1 同步与异步

2.2 阻塞与非阻塞

2.3 同/异、阻/非堵塞组合

三、优雅的文件读写

四、Socket 和 NIO 的多路复用

4.1 传统的 Socket 实现

4.2 NIO 多路复用

4.3 AIO 版 Socket 实现

五、总结

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1.1 BIO、NIO、AIO的区别

1.2 全面认识 IO

1.3 IO 使用

1.3.1 InputStream 使用

1.3.2 OutputStream 使用

1.3.3 Writer 使用

1.3.4 Reader 使用

二、同步、异步、阻塞、非阻塞

2.1 同步与异步

2.2 阻塞与非阻塞

2.3 同/异、阻/非堵塞 组合

三、优雅的文件读写

四、Socket 和 NIO 的多路复用

4.1 传统的 Socket 实现

4.2 NIO 多路复用

4.3 AIO 版 Socket 实现

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2.3 同/异、阻/非堵塞组合