聊聊BIO、NIO与AIO的区别

2019-09-17 10:56:40来源:博客园 阅读 ()

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聊聊BIO、NIO与AIO的区别

题目:说一下BIO/AIO/NIO 有什么区别?及异步模式的用途和意义?

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说一说I/O
首先来说一下什么是I/O?

在计算机系统中I/O就是输入(Input)和输出(Output)的意思,针对不同的操作对象,可以划分为磁盘I/O模型,网络I/O模型,内存映射I/O, Direct I/O、数据库I/O等,只要具有输入输出类型的交互系统都可以认为是I/O系统,也可以说I/O是整个操作系统数据交换与人机交互的通道,这个概念与选用的开发语言没有关系,是一个通用的概念。

在如今的系统中I/O却拥有很重要的位置,现在系统都有可能处理大量文件,大量数据库操作,而这些操作都依赖于系统的I/O性能,也就造成了现在系统的瓶颈往往都是由于I/O性能造成的。因此,为了解决磁盘I/O性能慢的问题,系统架构中添加了缓存来提高响应速度;或者有些高端服务器从硬件级入手,使用了固态硬盘(SSD)来替换传统机械硬盘;在大数据方面,Spark越来越多的承担了实时性计算任务,而传统的Hadoop体系则大多应用在了离线计算与大量数据存储的场景,这也是由于磁盘I/O性能远不如内存I/O性能而造成的格局(Spark更多的使用了内存,而MapReduece更多的使用了磁盘)。因此,一个系统的优化空间,往往都在低效率的I/O环节上,很少看到一个系统CPU、内存的性能是其整个系统的瓶颈。也正因为如此,Java在I/O上也一直在做持续的优化,从JDK 1.4开始便引入了NIO模型,大大的提高了以往BIO模型下的操作效率。

这里先给出BIO、NIO、AIO的基本定义与类比描述:

BIO (Blocking I/O):同步阻塞I/O模式,数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。这里使用那个经典的烧开水例子,这里假设一个烧开水的场景,有一排水壶在烧开水,BIO的工作模式就是, 叫一个线程停留在一个水壶那,直到这个水壶烧开,才去处理下一个水壶。但是实际上线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

NIO (New I/O):同时支持阻塞与非阻塞模式,但这里我们以其同步非阻塞I/O模式来说明,那么什么叫做同步非阻塞?如果还拿烧开水来说,NIO的做法是叫一个线程不断的轮询每个水壶的状态,看看是否有水壶的状态发生了改变,从而进行下一步的操作。

AIO ( Asynchronous I/O):异步非阻塞I/O模型。异步非阻塞与同步非阻塞的区别在哪里?异步非阻塞无需一个线程去轮询所有IO操作的状态改变,在相应的状态改变后,系统会通知对应的线程来处理。对应到烧开水中就是,为每个水壶上面装了一个开关,水烧开之后,水壶会自动通知我水烧开了。

进程中的IO调用步骤大致可以分为以下四步:

进程向操作系统请求数据 ;

操作系统把外部数据加载到内核的缓冲区中;

操作系统把内核的缓冲区拷贝到进程的缓冲区 ;

进程获得数据完成自己的功能 ;

当操作系统在把外部数据放到进程缓冲区的这段时间(即上述的第二,三步),如果应用进程是挂起等待的,那么就是同步IO,反之,就是异步IO,也就是AIO 。

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BIO(Blocking I/O)同步阻塞I/O
这是最基本与简单的I/O操作方式,其根本特性是做完一件事再去做另一件事,一件事一定要等前一件事做完,这很符合程序员传统的顺序来开发思想,因此BIO模型程序开发起来较为简单,易于把握。

但是BIO如果需要同时做很多事情(例如同时读很多文件,处理很多tcp请求等),就需要系统创建很多线程来完成对应的工作,因为BIO模型下一个线程同时只能做一个工作,如果线程在执行过程中依赖于需要等待的资源,那么该线程会长期处于阻塞状态,我们知道在整个操作系统中,线程是系统执行的基本单位,在BIO模型下的线程 阻塞就会导致系统线程的切换,从而对整个系统性能造成一定的影响。当然如果我们只需要创建少量可控的线程,那么采用BIO模型也是很好的选择,但如果在需要考虑高并发的web或者tcp服务器中采用BIO模型就无法应对了,如果系统开辟成千上万的线程,那么CPU的执行时机都会浪费在线程的切换中,使得线程的执行效率大大降低。此外,关于线程这里说一句题外话,在系统开发中线程的生命周期一定要准确控制,在需要一定规模并发的情形下,尽量使用线程池来确保线程创建数目在一个合理的范围之内,切莫编写线程数量创建上限的代码。

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NIO (New I/O) 同步非阻塞I/O
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:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述

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AIO (Asynchronous I/O) 异步非阻塞I/O
Java AIO就是Java作为对异步IO提供支持的NIO.2 ,Java NIO2 (JSR 203)定义了更多的 New I/O APIs, 提案2003提出,直到2011年才发布, 最终在JDK 7中才实现。JSR 203除了提供更多的文件系统操作API(包括可插拔的自定义的文件系统), 还提供了对socket和文件的异步 I/O操作。 同时实现了JSR-51提案中的socket channel全部功能,包括对绑定, option配置的支持以及多播multicast的实现。

从编程模式上来看AIO相对于NIO的区别在于,NIO需要使用者线程不停的轮询IO对象,来确定是否有数据准备好可以读了,而AIO则是在数据准备好之后,才会通知数据使用者,这样使用者就不需要不停地轮询了。当然AIO的异步特性并不是Java实现的伪异步,而是使用了系统底层API的支持,在Unix系统下,采用了epoll IO模型,而windows便是使用了IOCP模型。关于Java AIO,本篇只做一个抛砖引玉的介绍,如果你在实际工作中用到了,那么可以参考Netty在高并发下使用AIO的相关技术。

总 结

IO实质上与线程没有太多的关系,但是不同的IO模型改变了应用程序使用线程的方式,NIO与AIO的出>现解决了很多BIO无法解决的并发问题,当然任何技术抛开适用场景都是耍流氓,复杂的技术往往是为了解决简单技术无法解决的问题而设计的,在系统开发中能用常规技术解决的问题,绝不用复杂技术,>否则大大增加系统代码的维护难度,学习IT技术不是为了炫技,而是要实实在在解决问题。

原文地址:

https://juejin.im/entry/598da7d16fb9a03c42431ed3


原文链接:https://www.cnblogs.com/blackjoyful/p/11534985.html
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