java BIO NIO AIO 理论篇

  java中的IO主要源自于网络和本地文件

 

     IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO

     在JDK1.4出来之前，我们建立网络连接的时候采用BIO模式，需要先在服务端启动一个ServerSocket，然后在客户端启动Socket来对服务端进行通信，默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程相应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求，如果有的话，客户端会线程会等待请求结束后才继续执行。

 

     BIO与NIO一个比较重要的不同，是我们使用BIO的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而NIO则是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程。

    

    

      NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

 

 

      在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

　　HTTP/1.1出现后，有了Http长连接，这样除了超时和指明特定关闭的http header外，这个链接是一直打开的状态的，这样在NIO处理中可以进一步的进化，在后端资源中可以实现资源池或者队列，当请求来的话，开启的线程把请求和请求数据传送给后端资源池或者队列里面就返回，并且在全局的地方保持住这个现场(哪个连接的哪个请求等)，这样前面的线程还是可以去接受其他的请求，而后端的应用的处理只需要执行队列里面的就可以了，这样请求处理和后端应用是异步的.当后端处理完，到全局地方得到现场，产生响应，这个就实现了异步处理。

 

     BIO是一个连接一个线程。

　  NIO是一个请求一个线程。

　  AIO是一个有效请求一个线程。

 

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同步阻塞IO（JAVA BIO）： 
    同步并阻塞，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，当然可以通过线程池机制改善。 

同步非阻塞IO(Java NIO) ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，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请求时才启动一个线程进行处理。用户进程也需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问。 

异步阻塞IO（Java NIO）：  
   此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄（如果从UNP的角度看，select属于同步操作。因为select之后，进程还需要读写数据），从而提高系统的并发性！  


（Java AIO(NIO.2)）异步非阻塞IO:  
   在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。    



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，但程序直观简单易理解。 

    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，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。 

    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

 

如果你想吃一份宫保鸡丁盖饭： 

同步阻塞：你到饭馆点餐，然后在那等着，还要一边喊：好了没啊！ 

同步非阻塞：在饭馆点完餐，就去遛狗了。不过溜一会儿，就回饭馆喊一声：好了没啊！ 

异步阻塞：遛狗的时候，接到饭馆电话，说饭做好了，让您亲自去拿。 

异步非阻塞：饭馆打电话说，我们知道您的位置，一会给你送过来，安心遛狗就可以了。 

“一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作。 
同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO。 
阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。 

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。而阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。 
所以,IO操作可以分为3类：同步阻塞（即早期的IO操作）、同步非阻塞（NIO）、异步（AIO）。 
同步阻塞： 
在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式。 

同步非阻塞： 
在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。 
异步： 
此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序。” 

这段话比较清楚 

 

 

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NIO通常采用Reactor模式，AIO通常采用Proactor模式。AIO简化了程序的编写，stream的读取和写入都有OS来完成，不需要像NIO那样子遍历Selector。Windows基于IOCP实现AIO，Linux只有eppoll模拟实现了AIO。

Java7之前的JDK只支持NIO和BIO，从7开始支持AIO。

4种通信方式：TCP/IP+BIO, TCP/IP+NIO, UDP/IP+BIO, UDP/IP+NIO。

TCP/IP+BIO、
Socket和ServerSocket实现，ServerSocket实现Server端端口监听，Socket用于建立网络IO连接。

不适用于处理多个请求 1.生成Socket会消耗过多的本地资源。2. Socket连接的建立一般比较慢。

BIO情况下，能支持的连接数有限，一般都采取accept获取Socket以后采用一个thread来处理，one connection one thread。无论连接是否有真正数据请求，都需要独占一个thread。

可以通过设立Socket池来一定程度上解决问题，但是使用池需要注意的问题是：1. 竞争等待比较多。 2. 需要控制好超时时间。

TCP/IP+NIO
使用Channel（SocketChannel和ServerSocketChannel）和Selector。

Server端通常由一个thread来监听connect事件，另外多个thread来监听读写事件。这样做的好处是这些连接只有在真是请求的时候才会创建thread来处理，one request one thread。这种方式在server端需要支持大量连接但这些连接同时发送请求的峰值不会很多的时候十分有效。

UDP/IP+BIO
DatagramSocket和DatagramPacket。DatagramSocket负责监听端口以及读写数据，DatagramPacket作为数据流对象进行传输。

UDP/IP是无连接的，无法进行双向通信，除非双方都成为UDP Server。

UDP/IP+NIO
通过DatagramChannel和ByteBuffer实现。DatagramChannel负责端口监听及读写。ByteBuffer负责数据流传输。

如果要将消息发送到多台机器，如果为每个目标机器都建立一个连接的话，会有很大的网络流量压力。这时候可以使用基于UDP/IP的Multicast协议传输，Java中可以通过MulticastSocket和DatagramPacket来实现。