Java NIO浅析(转)

2024-08-24 05:18
文章标签 java nio 浅析

本文主要是介绍Java NIO浅析(转),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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Java NIO浅析
王烨 ·2016-11-04 18:26
NIO(Non-blocking I/O,在Java领域,也称为New I/O),是一种同步非阻塞的I/O模型,也是I/O多路复用的基础,已经被越来越多地应用到大型应用服务器,成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。
那么NIO的本质是什么样的呢?它是怎样与事件模型结合来解放线程、提高系统吞吐的呢?
本文会从传统的阻塞I/O和线程池模型面临的问题讲起,然后对比几种常见I/O模型,一步步分析NIO怎么利用事件模型处理I/O,解决线程池瓶颈处理海量连接,包括利用面向事件的方式编写服务端/客户端程序。最后延展到一些高级主题,如Reactor与Proactor模型的对比、Selector的唤醒、Buffer的选择等。
注:本文的代码都是伪代码,主要是为了示意,不可用于生产环境。
传统BIO模型分析
让我们先回忆一下传统的服务器端同步阻塞I/O处理(也就是BIO,Blocking I/O)的经典编程模型:
{
ExecutorService executor = Excutors.newFixedThreadPoolExecutor(100);//线程池

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(8088);
while(!Thread.currentThread.isInturrupted()){//主线程死循环等待新连接到来
Socket socket = serverSocket.accept();
executor.submit(new ConnectIOnHandler(socket));//为新的连接创建新的线程
}

class ConnectIOnHandler extends Thread{
private Socket socket;
public ConnectIOnHandler(Socket socket){
this.socket = socket;
}
public void run(){
while(!Thread.currentThread.isInturrupted()&&!socket.isClosed()){死循环处理读写事件
String someThing = socket.read()….//读取数据
if(someThing!=null){
……//处理数据
socket.write()….//写数据
}

  }
}

}

这是一个经典的每连接每线程的模型,之所以使用多线程,主要原因在于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的,当一个连接在处理I/O的时候,系统是阻塞的,如果是单线程的话必然就挂死在那里;但CPU是被释放出来的,开启多线程,就可以让CPU去处理更多的事情。其实这也是所有使用多线程的本质:
1. 利用多核。
2. 当I/O阻塞系统,但CPU空闲的时候,可以利用多线程使用CPU资源。
现在的多线程一般都使用线程池,可以让线程的创建和回收成本相对较低。在活动连接数不是特别高(小于单机1000)的情况下,这种模型是比较不错的,可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单,也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗,可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。
不过,这个模型最本质的问题在于,严重依赖于线程。但线程是很”贵”的资源,主要表现在:
1. 线程的创建和销毁成本很高,在Linux这样的操作系统中,线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数。
2. 线程本身占用较大内存,像Java的线程栈,一般至少分配512K~1M的空间,如果系统中的线程数过千,恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。
3. 线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候,需要保留线程的上下文,然后执行系统调用。如果线程数过高,可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间,这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高(超过20%以上),导致系统几乎陷入不可用的状态。(ljl注:也就是我从线程1到线程2需要保留线程1的上下文,多核也不行啊,没有1000个核的啊!)
4. 容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数,一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定,就很容易造成大量请求的结果同时返回,激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。
所以,当面对十万甚至百万级连接的时候,传统的BIO模型是无能为力的。随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行,百万级长连接日趋普遍,此时,必然需要一种更高效的I/O处理模型。
NIO是怎么工作的
很多刚接触NIO的人,第一眼看到的就是Java相对晦涩的API,比如:Channel,Selector,Socket什么的;然后就是一坨上百行的代码来演示NIO的服务端Demo……瞬间头大有没有?
我们不管这些,抛开现象看本质,先分析下NIO是怎么工作的。
常见I/O模型对比
所有的系统I/O都分为两个阶段:等待就绪和操作。举例来说,读函数,分为等待系统可读和真正的读;同理,写函数分为等待网卡可以写和真正的写。
需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的,是在“空等”;而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的,真正在”干活”,而且这个过程非常快,属于memory copy,带宽通常在1GB/s级别以上,可以理解为基本不耗时。
下图是几种常见I/O模型的对比:
[图片]
以socket.read()为例子:
传统的BIO里面socket.read(),如果TCP RecvBuffer里没有数据,函数会一直阻塞,直到收到数据,返回读到的数据。
对于NIO,如果TCP RecvBuffer有数据,就把数据从网卡读到内存,并且返回给用户;反之则直接返回0,永远不会阻塞。 (ljl注:等待io读取是不消耗cpu的,所以NIO肯定等待的时候不会消耗)
最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步:不但等待就绪是非阻塞的,就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。
换句话说,BIO里用户最关心“我要读”,NIO里用户最关心”我可以读了”,在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。
NIO一个重要的特点是:socket主要的读、写、注册和接收函数,在等待就绪阶段都是非阻塞的,真正的I/O操作是同步阻塞的(消耗CPU但性能非常高)。
如何结合事件模型使用NIO同步非阻塞特性
回忆BIO模型,之所以需要多线程,是因为在进行I/O操作的时候,一是没有办法知道到底能不能写、能不能读,只能”傻等”,即使通过各种估算,算出来操作系统没有能力进行读写,也没法在socket.read()和socket.write()函数中返回,这两个函数无法进行有效的中断。所以除了多开线程另起炉灶,没有好的办法利用CPU。
NIO的读写函数可以立刻返回,这就给了我们不开线程利用CPU的最好机会:如果一个连接不能读写(socket.read()返回0或者socket.write()返回0),我们可以把这件事记下来,记录的方式通常是在Selector上注册标记位,然后切换到其它就绪的连接(channel)继续进行读写。
下面具体看下如何利用事件模型单线程处理所有I/O请求:
NIO的主要事件有几个:读就绪、写就绪、有新连接到来。
我们首先需要注册当这几个事件到来的时候所对应的处理器。然后在合适的时机告诉事件选择器:我对这个事件感兴趣。对于写操作,就是写不出去的时候对写事件感兴趣;对于读操作,就是完成连接和系统没有办法承载新读入的数据的时;对于accept,一般是服务器刚启动的时候;而对于connect,一般是connect失败需要重连或者直接异步调用connect的时候。
其次,用一个死循环选择就绪的事件,会执行系统调用(Linux 2.6之前是select、poll,2.6之后是epoll,Windows是IOCP),还会阻塞的等待新事件的到来。新事件到来的时候,会在selector上注册标记位,标示可读、可写或者有连接到来。
注意,select是阻塞的,无论是通过操作系统的通知(epoll)还是不停的轮询(select,poll),这个函数是阻塞的。所以你可以放心大胆地在一个while(true)里面调用这个函数而不用担心CPU空转。
(ljl注:如果一个程序你只是while(true){doSomeThing()}肯定cpu会一直执行,造成假高潮,但是select()由于如果没有事件,便会阻塞,所以如果阻塞的话会放弃cpu执行时间)
所以我们的程序大概的模样是:
interface ChannelHandler{
void channelReadable(Channel channel);
void channelWritable(Channel channel);
}
class Channel{
Socket socket;
Event event;//读,写或者连接
}

//IO线程主循环:
class IoThread extends Thread{
public void run(){
Channel channel;
while(channel=Selector.select()){//选择就绪的事件和对应的连接
if(channel.event==accept){
registerNewChannelHandler(channel);//如果是新连接,则注册一个新的读写处理器
}
if(channel.event==write){
getChannelHandler(channel).channelWritable(channel);//如果可以写,则执行写事件
}
if(channel.event==read){
getChannelHandler(channel).channelReadable(channel);//如果可以读,则执行读事件
}
}
}
Map

这篇关于Java NIO浅析(转)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



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