Java中IO流类的体系中BIO与NIO

1 BIO同步阻塞IO

1.1 特性：同步阻塞IO

1.2 特点：一个请求对应一个线程，上下文切换占用的资源很重。

1.3 缺点：无用的请求也会占用一个线程，没有数据达到，也会阻塞。

1.4 改进：通过线程池机制。 但是还是未能解决一个请求一个线程的本质问题，只是稍加改善。

1.5 试用场景：链接数目较少，固定请求。程序比较清晰，一个请求一个线程，容易理解。要求机器配置较高。

2 NIO同步非阻塞IO

2.1 特性：同步非阻塞IO

2.2 特点：利用IO多路复用技术+NIO，多个socket通道对应一个线程

2.3 复用： 多路复用技术：select，poll和epoll ，linux系统下利用epoll多路复用技术性能更高。

2.4 虚拟内存映射文件操作，不需要read或write操作，虚拟内存相当于缓冲区，提升性能。

2.5 修改文件自动flush到文件

2.6 快速处理大文件

 IO多路复用：I/O是指网络I/O,多路指多个TCP连接(即socket或者channel）,复用指复用一个或几个线程。意思说一个或一组线程处理多个TCP连接。最大优势是减少系统开销小，不必创建过多的进程/线程，也不必维护这些进程/线程。  　

IO多路复用使用两个系统调用(select/poll/epoll和recvfrom)，blocking IO只调用了recvfrom；select/poll/epoll 核心是可以同时处理多个connection，而不是更快，所以连接数不高的话，性能不一定比多线程+阻塞IO好,多路复用模型中，每一个socket，设置为non-blocking,阻塞是被select这个函数block，而不是被socket阻塞的。

3 select机制

客户端操作服务器时就会产生这三种文件描述符(简称fd)：writefds(写)、readfds(读)、和exceptfds(异常)。select会阻塞住监视3类文件描述符，等有数据、可读、可写、出异常 或超时、就会返回；返回后通过遍历fdset整个数组来找到就绪的描述符fd，然后进行对应的IO操作。

优点：几乎在所有的平台上支持，跨平台支持性好

缺点：由于是采用轮询方式全盘扫描，会随着文件描述符FD数量增多而性能下降。  　每次调用 select()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历(消息传递都是从内核到用户空间)  　默认单个进程打开的FD有限制是1024个，可修改宏定义，但是效率仍然慢。

3.1 poll机制　

基本原理与select一致，也是轮询+遍历；唯一的区别就是poll没有最大文件描述符限制（使用链表的方式存储fd）。

3.2 epoll机制　

没有fd个数限制，用户态拷贝到内核态只需要一次，使用时间通知机制来触发。通过epoll_ctl注册fd，一旦fd就绪就会通过callback回调机制来激活对应fd，进行相关的io操作。 epoll之所以高性能是得益于它的三个函数  　

1)epoll_create()系统启动时，在Linux内核里面申请一个B+树结构文件系统，返回epoll对象，也是一个fd  　

2)epoll_ctl() 每新建一个连接，都通过该函数操作epoll对象，在这个对象里面修改添加删除对应的链接fd, 绑定一个callback函数  　

3)epoll_wait() 轮训所有的callback集合，并完成对应的IO操作

优点：  　

没fd这个限制，所支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数，1G内存大概支持10万个句柄效率提高，使用回调通知而不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降  　

内核和用户空间mmap同一块内存实现(mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间)

例子：

100万个连接，里面有1万个连接是活跃，我们可以对比 select、poll、epoll 的性能表现  　

select：不修改宏定义默认是1024,l则需要100w/1024=977个进程才可以支持 100万连接，会使得CPU性能特别的差。  　

poll： 没有最大文件描述符限制,100万个链接则需要100w个fd，遍历都响应不过来了，还有空间的拷贝消耗大量的资源。  　

epoll: 请求进来时就创建fd并绑定一个callback，主需要遍历1w个活跃连接的callback即可，即高效又不用内存拷贝。

简单来说：select和poll会一直循环遍历所有的连接事件，cpu会空转消耗资源。而epoll解决了这些问题，只有时间发送才会进行操作，select最多支持1024个连接而jdk1.4版本poll无上限，jdk1.5解决了所有问题。

4 Java中的IO模型

在JDK1.4之前，基于Java所有的socket通信都采⽤了同步阻塞模型（BIO），这种模型性能低下，当时⼤型的服务均采⽤C或C++开发，因为它们可以直接使⽤操作系统提供的异步IO或者AIO，使得性能得到⼤幅提升。

2002年，JDK1.4发布，新增了java.nio包，提供了许多异步IO开发的API和类库。新增的NIO，极⼤的促进了基于Java的异步⾮阻塞的发展和应⽤。

2011年，JDK7发布，将原有的NIO进⾏了升级，称为NIO2.0，其中也对AIO进⾏了⽀持

4.1 BIO模型

java中的BIO是blocking I/O的简称，它是同步阻塞型IO，其相关的类和接⼝在java.io下。

BIO模型简单来讲，就是服务端为每⼀个请求都分配⼀个线程进⾏处理，如下：

示例代码：

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
            System.out.println("等待客户端连接。。。。");
            Socket socket = serverSocket.accept(); //阻塞
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    InputStream inputStream = socket.getInputStream(); //阻塞
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    while (true){
                        int length = inputStream.read(bytes);
                        if(length == -1){
                            break;
                        }
                        System.out.println(new String(bytes, 0, length, "UTF-
                                8"));
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

这种模式存在的问题：

客户端的并发数与后端的线程数成1:1的⽐例，线程的创建、销毁是⾮常消耗系统资源的，随着并

发量增⼤，服务端性能将显著下降，甚⾄会发⽣线程堆栈溢出等错误。

当连接创建后，如果该线程没有操作时，会进⾏阻塞操作，这样极⼤的浪费了服务器资源。

4.2 NIO模型

NIO，称之为New IO 或是 non-block IO （⾮阻塞IO），这两种说法都可以，其实称之为⾮阻塞IO更恰当⼀些。

NIO相关的代码都放在了java.nio包下，其三⼤核⼼组件：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器/多路复⽤器）

Buffer

在NIO中，所有的读写操作都是基于缓冲区完成的，底层是通过数组实现的，常⽤的缓冲区是

ByteBuffer，每⼀种java基本类型都有对应的缓冲区对象（除了Boolean类型），如：

CharBuffer、IntBuffer、LongBuffer等。

Channel

在BIO中是基于Stream实现，⽽在NIO中是基于通道实现，与流不同的是，通道是双向的，

既可以读也可以写。

Selector

可以看出，NIO模型要优于BIO模型，主要是：

通过多路复⽤器就可以实现⼀个线程处理多个通道，避免了多线程之间的上下⽂切换导致系统开销

过⼤。

NIO⽆需为每⼀个连接开⼀个线程处理，并且只有通道真正有有事件时，才进⾏读写操作，这样⼤

⼤的减少了系统开销。

示例代码：

public class SelectorDemo {
    /**
     * 注册事件
     *
     * @return
     */
    private Selector getSelector() throws Exception {
//获取selector对象
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); //⾮阻塞
//获取通道并且绑定端⼝
        ServerSocket socket = serverSocketChannel.socket();
        socket.bind(new InetSocketAddress(6677));
//注册感兴趣的事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        return selector;
    }
    public void listen() throws Exception {
        Selector selector = this.getSelector();
        while (true) {
            selector.select(); //该⽅法会阻塞，直到⾄少有⼀个事件的发⽣
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                process(selectionKey, selector);
                iterator.remove();
            }
        }
    }
    private void process(SelectionKey key, Selector selector) throws Exception
    {
        if(key.isAcceptable()){ //新连接请求
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)key.channel();
            SocketChannel channel = server.accept();
            channel.configureBlocking(false); //⾮阻塞
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }else if(key.isReadable()){ //读数据
            SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            channel.read(byteBuffer);
            System.out.println("form 客户端 " + new String(byteBuffer.array(),
                    0, byteBuffer.position()));
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new SelectorDemo().listen();
    }
}

4.3 AIO模型

在NIO中，Selector多路复⽤器在做轮询时，如果没有事件发⽣，也会进⾏阻塞，如何能把这个阻塞也优化掉呢？那么AIO就在这样的背景下诞⽣了。

AIO是asynchronous I/O的简称，是异步IO，该异步IO是需要依赖于操作系统底层的异步IO实现。

AIO的基本流程是：⽤户线程通过系统调⽤，告知kernel内核启动某个IO操作，⽤户线程返回。kernel内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知⽤户程序，⽤户执⾏后续的业务操作。

kernel的数据准备

将数据从⽹络物理设备（⽹卡）读取到内核缓冲区。

kernel的数据复制

将数据从内核缓冲区拷⻉到⽤户程序空间的缓冲区。

⽬前AIO模型存在的不⾜：

需要完成事件的注册与传递，这⾥边需要底层操作系统提供⼤量的⽀持，去做⼤量的⼯作。

Windows 系统下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O。但是，就⽬前的业界形式来说，Windows 系

统，很少作为百万级以上或者说⾼并发应⽤的服务器操作系统来使⽤。

⽽在 Linux 系统下，异步IO模型在2.6版本才引⼊，⽬前并不完善。所以，这也是在 Linux 下，实

现⾼并发⽹络编程时都是以 NIO 多路复⽤模型模式为主。