【Java核心-基础】IO

简述

Java 的 IO 方式大致可分为 3 类：BIO、NIO、NIO 2（AIO）

这 3 类 IO 方式在 同步/异步 和 阻塞/非阻塞 方面有明显区别。

同步 vs 异步

同步：后续任务必须等当前调用返回后再执行。

异步：后续任务不需要等待当前调用返回，依靠事件、回调等机制实现任务间次关系。

阻塞 vs 非阻塞

阻塞：执行阻塞操作时，当前线程会处于阻塞状态，无法执行其它任务，只有条件就绪后才能继续。

非阻塞：不管操作是否结束，当前线程直接返回，由后台其它线程继续处理。

 

 

BIO

 

BIO 指传统的 java.io 包，也包括 java.net 下的部分API（如，Socket、ServerSocket、HttpURLConnection）。

BIO 基于流模型，以同步、阻塞的方式交互（B：Blocking）。

优点：简单、直观。

缺点：IO 效率 和 扩展性 存在局限性，容易成为性能瓶颈。

 

• InputStream / OutputStream 用于读写 字节
• Reader / Writer 增加了编解码功能，用于读写 字符
• BufferedInputStream / BufferedOutputStream 带缓存区，对批量数据进行一次操作，可以减少对磁盘等硬件的读写频率，提高IO效率
  写数据后需要 flush
• Closeable 接口提供的 close() 方法可以释放相关资源
  如，释放 FileInputStream 所获取的文件描述符（FileDescriptor）
  可以利用 try-with-resources 和 try-finally 机制来确保调用了 close()方法

 

NIO

Java 1.4 引入了 NIO
提供了 Channel、Selector、Buffer 等机制，可以构建多路复用、同步非阻塞的IO程序（N：New、Non-Blocking）。
它提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。
JDK 的这部分功能在不同操作系统上实现有较大不同，应在真实的运行环境上测试。如，开发环境是 Windows，部署环境是 Linux，则应以 Linux 环境的调试结果为准。

 

Java 1.7 引入了 NIO 2（AIO）
提供了异步非阻塞的IO方式（A：Asynchronous）。

 

缺点：单个请求中数据量较大时，对后续事件的响应会被延迟。所以多路复用适用于大量请求大小有限的场景。

 

• Buffer 是高效的数据容器
  除 boolean 外，所有原始数据类型都有相应的 Buffer 实现。
   
• Channel 用于支持 批量 式 IO
  类似 Linux 上的文件描述符，比 File、Socket 更接近操作系统底层。
  Channel 可以充分利用操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化。如，DMA（Direct Memory Access）。
   
• Selector 用于支持 多路复用
  它可以监测到注册在 Selector 上的多个 Channel 中，是否有 Channel 处于就绪状态，实现单线程对多 Channel 的高效管理。
  针对不同操作系统，Selector 的实现了不同；Linux 上依赖于 Epoll；Windows 上依赖于 iocp

 

BIO 和 NIO 应用差异示例

此处以 Client-Server Socket 通信为例来说明 NIO 的应用差异。

 

用 BIO 实现

针对每个来自 Client 的请求，都创建一个对应线程执行，或交由线程池处理。

缺点：扩展性差。大量客户端请求时，产生大量连接，服务端对每个连接的处理需要线程上下文切换，开销过高。

 

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(80);
while (true) {
  Socket socket = serverSocket.accept();
  Thread requestHandler = new Thread(()->{
    // 处理来自客户端的请求（socket）
  });
  requestHandler.start();
}

 

用 NIO 实现

每一个来自 Client 的请求都被汇聚到 Selector，用单线程轮询定位就绪的 Channel，再处理相应的请求。
Selector 类似于一个 调度员

• 同步：每个准备好的 channel 处理是依次进行的；
• 非阻塞：不需要每个连接（channel）都有一个对应的线程在等它就绪 。
  只有 select 阶段是阻塞的，可以避免大量客户端连接导致线程频繁切换的问题。

 

示例代码只注册了一个 Channel。

真实应用中一般会创建 多个 Channel，注册到同一个 Selector，也就是 多路复用。

为了避免单个 Selector （单线程）执行监听任务成为瓶颈，也可以尝试用 多个 Selector。

 

try (Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
  socketChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 80));
  socketChannel.configureBlocking(false);
  // 注册到 Selector，并说明关注点（accept）
  socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  while (true) {
    selector.select(); // 等待就绪的 Channel（这是阻塞操作）
    Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator iter = selectionKeys.iterator();
    while (iter.hasNext()) {
      SelectionKey key = iter.next();
      // 处理请求
      ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();
      ...
      iter.remove();
    }
  }
} catch (IOException e) {
  // 处理异常
}

 

用 AIO 实现

这只是个简单的示例，真实应用中会更复杂

try {
  AsynchronousServerSocketChannel asyncChannel
      = AsynchronousServerSocketChannel.open();
  asyncChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 80));
  asyncChannel.accept(null,
      new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
        @Override
        public void completed(AsynchronousSocketChannel result,
            Void attachment) {
          // 接收下一次连接
          asyncChannel.accept(null, this);
          // 处理本次连接
          ...
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, Void attachement) {
          // 处理连接失败的情况
        }
      })
} catch (IOException e) {
  // 处理异常
}