还搞不懂 Java NIO?快来读读这篇文章!

 2022-07-25

首先,我们需要弄清楚几个概念:同步和异步,阻塞和非阻塞。

01 同步和异步

  1. 同步

进程触发 IO 操作的时候,必须亲自处理;

比如你必须亲自去银行取钱。

  1. 异步

进程触发 IO 操作的时候,可以不亲自处理,它把操作委托给 OS 处理,委托的时候需要告知数据的地址和大小,然后自己去做别的事情,当 IO 操作结束后会得到通知;

比如你把银行卡给我,让我帮你去银行取钱,你需要告诉我银行卡密码和取多少钱,我取完了之后把钱给你。

  1. 总结

自己干就是同步,别人干就是异步。

02 阻塞和非阻塞

  1. 阻塞

进程触发 IO 操作的时候,如果此时此时没办法读或者写,那么进程就一直等待,直到读写结束;

比如你去银行 ATM 取钱,前面有人在排队,那么就要一直等待,直到你取完钱;

  1. 非阻塞

进程触发 IO 操作的时候,如果此时此时没办法读或者写,那么就先去做别的,等到有通知后,再继续读写;

比如你去银行柜台取钱,人比较多,那就先领一个号,等着叫到号再去对应的窗口办理业务;这里稍微有些不太恰当的是,我们等待的过程中,还得听着叫号。

  1. 总结

我要等着不能做其他事就是阻塞,我不用等可以做其他事就是异步。

03 BIO

同步阻塞;一个请求过来,应用程序开了一个线程,等 IO 准备好,IO 操作也是自己干;

采用 BIO 模型的服务端,由一个独立的 Acceptor 线程负责进行监听;在 while(true) 循环中调用 accept() 方法,等待客户端的请求;

一旦接收到请求,就可以建立套接字开始进行读写操作,这时候不再接收其他的请求,直到读写完成;

为了让 BIO 能够同时处理多个请求,那么就需要使用多线程处理;当服务端接收到请求,就为客户端创建一个线程进行处理,处理完成后再做线程销毁;

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不过因为一个请求就要启动一个线程,所以开销是比较大的,启动和销毁线程开销很大,而且每个线程都要占用内存,所以可以引入线程池,可以在一定程度上减少线程创建和销毁的开销;这也被叫做 伪异步 IO。

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线程池维护着 N 个线程和一个消息队列;当有请求接入时,服务端将 Socket 作为参数传递到一个线程任务中进行处理;通过对线程池最大线程数和消息队列大小进行控制,所以就算访问量高于服务端的承载能力,也不会因为服务端的资源耗尽而导致宕机;

这个模型在 请求量不高的时候,效率还是不错的,而且也不需要考虑限流的问题(控制线程池的最大线程数量)。

04 NIO

同步非阻塞;不用等待 IO 准备,准备好了会通知,不过 IO 操作还是要自己干;NIO 是一种多路复用机制,利用单线程轮询事件,Channel 来决定做什么,避免连接数多的时候,频繁进行线程切换导致性能问题(Select 阶段阻塞)。

听到这里,很多人可能已经懵了...什么是多路复用?Channel又是啥?Select 阶段到底是什么阶段?这里我用白话解释一下。

NIO是面向缓冲区的,可以将数据读取到一个缓冲区,稍后进行处理。NIO 有几个核心概念:

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  1. Channel 和 Buffer

Channel 可以理解成一个双向流,或者理解成一个通道,Buffer 就是缓存区,或者你就把它看做是一块内存空间,数据可以从 Channel 流进 Buffer ,也可以从 Buffer 流进 Channel 。

Channel 有很多种实现,比如:FileChannel 是从文件中读写数据,SocketChannel 通过 TCP 读写网络中的数据等等。

Buffer 也有多重类型,比如:ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等等,光看他们的名字就知道他们代表了不同的数据类型。

  1. Selector

我们可以把 Selector 看做是一个管理员,可以管理多个 Channel , Selector 能够知道到哪个 Channel 已经做好了读写的准备。这样一个线程只要操作这个管理员就可以了,相当于一个线程可以管理多个 Channel;一旦监听到有准备好的 Channel,就可以进行相应的处理。

不过 Java 原生的 NIO 不好用,直到 Netty 的出现。

05 AIO

异步非阻塞;因为事情不是自己做,其实也没有阻塞一说(都是非阻塞);

AIO 是在 NIO 的基础上,引入异步通道的概念;NIO 是采用轮询的方式,不停地询问数据是否准备好了,准备好了就处理;AIO 是向操作系统注册 IO 监听,操作系统完成 IO 操作了之后,主动通知,触发响应的函数(自己不做,让操作系统来做)。

目前看,AIO 应该的还不是很广泛。