对于BIO/NIO/AIO,你还只停留在烧开水的水平吗?

1.发发牢骚

相信大家在网上看过不少讲解 BIO/NIO/AIO 的文章,文章中举起栗子来更是夯吃夯吃一大堆,让人越看越觉得 What are you 讲啥嘞?

本文将针对 BIO/NIO/AIO 、阻塞与非阻塞、同步与异步等特别容易混淆的概念进行对比区分,理清混乱的思路。

2.魔幻的IO模型

BIO (同步阻塞I/O)

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(同步非阻塞)

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 (异步非阻塞I/O)

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。

上面这些烧开水(或者服务员端菜)的例子百度一下相当多,但只能帮你理解些相关概念,使你知其然但不知其所以然,下面我会对概念进一步加深理解,并加以区分。

3.同步与异步的区别

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。

简而言之,同步和异步最关键的区别在于同步必须等待(BIO)或者主动的去询问(NIO)IO是否完成,而异步(AIO)操作提交后只需等待操作系统的通知即可。(思考一下:操作系统底层通过什么去通知数据使用者?)

大型网站一般都会使用消息中间件进行解藕、异步、削峰,生产者将消息发送给消息中间件就返回,消息中间件将消息转发到消费者进行消费,这种操作方式其实就是异步。

与之相比,什么是同步?

生产者将消息发送到消息中间件,消息中间件将消息发送给消费者,消息者消费后返回响应给消息中间件,消息中间件返回响应给生产者,该过程由始至终都需要生产者进行参与,这就是同步操作。

(注:上面的举例只用于理解BIO/NIO概念,不代表消息中间件的真实使用过程)

4.阻塞和非阻塞的区别

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方法的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待(BIO),而非阻塞方式下,读取或者写入方法会立即返回一个状态值(NIO)

BIO对应的Socket网络编程代码如下,其中server.accept()代码会一直阻塞当前线程,直到有新的客户端与之连接后,就创建一个新的线程进行处理,注意这里是一次连接创建一个线程。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8899;
        // 定义一个ServiceSocket监听在端口8899上
        ServerSocket server = new ServerSocket(port);
        System.out.println("等待与客户端建立连接...");
        while (true) {
            // server尝试接收其他Socket的连接请求,server的accept方法是阻塞式的
            Socket socket = server.accept();
            // 每接收到一个Socket就建立一个新的线程来处理它
            new Thread(new Task(socket)).start();
        }
        // server.close();
}

NIO的Socket网络编程代码如下图(在网上找了半天),我们只需要观察NIO的关键两个点:轮询、IO多路复用。

找到while(true){}代码就找到了轮询的代码,其中调用的 selector.select() 方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪,然后返回当前就绪的通道数,也就是非阻塞概念中提到的状态值。

5.IO多路复用

我们都听说过NIO具有IO多路复用,其实关键点就在于NIO创建一个连接后,是不需要创建对应的一个线程,这个连接会被注册到多路复用器(Selector)上面,所以所有的连接只需要一个线程就可以进行管理,当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候,发现连接上有请求数据的话,才开启一个线程进行处理,也就是一个有效请求一个线程模式。如果连接没有数据,是没有工作线程来处理的。

光讲概念恐怕读者很难听的懂,所以我还是以上面那张图中的代码讲解。

在代码中,main方法所在的主线程拥有多路复用器并开启了一个主机端口进行通信,所有的客户端连接都会被注册到主线程所在的多路复用器,通过轮询while(true){}不断检测多路复用器上所有连接的状态,这些状态通过调用 SelectionKey.isAcceptable()、SelectionKey.isReadable() 等方法读取。发现请求有效,就开启一个线程进行处理,无效的请求,就不需要创建线程进行处理。

与BIO对比不难发现,这种方式相比BIO一次连接创建一个线程大大减少了线程的创建数量,性能岂能不提高。

6.AIO:异步非阻塞的编程方式

BIO/NIO都需要在调用读写方法后,要么一直等待,要么轮询查看,直到有了结果再来执行后续代码,这就是同步操作了。

而AIO则是真正的异步,当进行读写操作时,只须直接调用API的 read 或 write 方法即可。对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入 read 方法的缓冲区,并通知应用程序;对于写操作而言,当操作系统将 write 方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序。你可以理解为,read/write 方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数,这也就是同步与异步真正的区别了。

示例代码:

public static void main(String[] args) {
   AsynchronousServerSocketChannel assc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
   assc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
   //非阻塞方法,注册回调函数,只能接受一个连接
   assc.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

     @Override
     public void completed(AsynchronousSocketChannel asc, Object attachment) {
     }

     @Override
     public void failed(Throwable exc, Object attachment) {  
     }
   });
}

(注:Java7后引入AIO ,但不同操作系统底层原理不一致,比如Linux的epoll, Window的iocp)

7.后续

文章讲到这里,其实只是开始。

如今,大名鼎鼎的IO多路复用你已经知道了What,但我们依旧有着许多的Why不理解,Selector为什么可以做到多路复用?selector.select() 方法的调用经历了什么?操作系统又在其中扮演着什么样的角色?AIO中操作系统是如何做到主动通知应用程序调用回调函数?...

对于这些问题,你是否丧失了深究下去的兴趣?

最后补一张图:

posted @ 2019-07-04 21:05 薛勤 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏