【深入理解Java IO流0x07】搞懂Java中的三种IO模型的区别:BIO NIO AIO

2024-04-10 14:28

本文主要是介绍【深入理解Java IO流0x07】搞懂Java中的三种IO模型的区别:BIO NIO AIO,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!

1. 引言

NIO这一块是面试时比较喜欢问的问题,所以我们需要仔细学习。但是在直接讲NIO之前,需要大家对Java的IO模型首先有一个整体的认识,这样才方面后续我们深入探究NIO。
我们接下来就开始吧!

2. IO

何为IO?

I/O(Input/Outpu) 即输入/输出 。我们先从计算机结构的角度来解读一下 I/O。根据冯.诺依曼结构,计算机结构分为 5 大部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
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输入设备(比如键盘、鼠标)和输出设备(比如显示器)都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备,也可以属于输出设备。输入设备向计算机输入数据,输出设备接收计算机输出的数据。从计算机结构的视角来看的话, I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。
我们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。
根据大学里学到的操作系统相关的知识:为了保证操作系统的稳定性和安全性,一个进程的地址空间划分为 用户空间(User space) 和内核空间(Kernel space ) 。
像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间,只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作,比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说,我们想要进行 IO 操作,一定是要依赖内核空间的能力。并且,用户空间的程序不能直接访问内核空间。当想要执行 IO 操作时,由于没有执行这些操作的权限,只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。
因此,用户进程想要执行 IO 操作的话,必须通过系统调用来间接访问内核空间。我们在平常开发过程中接触最多的就是磁盘 IO(读写文件) 网络 IO(网络请求和响应)
从应用程序的视角来看的话,我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用(系统调用),操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说,我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已,具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。
当应用程序发起 I/O 调用后,会经历两个步骤:

  1. 内核等待 I/O 设备准备好数据。
  2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

在UNIX系统下,IO模型一共有5种:同步阻塞IO同步非阻塞IOIO多路复用信号驱动IO异步IO
不过在Java中,我们通常只涉及三种:

  1. BIO:同步阻塞IO;
  2. NIO:有人认为是同步非阻塞IO,也认为是IO多路复用型;
  3. AIO:异步IO;

下面我们来详细介绍一下。

3. BIO(Blocking IO)

BIO属于同步阻塞IO模型。
同步阻塞 IO 模型中,应用程序发起 read 调用后,会一直阻塞,直到内核把数据拷贝到用户空间。
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在客户端连接数量不高的情况下,是没问题的。但是,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。总结一下,BIO是一种比较传统的IO模式,简单方便,但并发能力低,通信耗时。
因此,我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

4. NIO(Non-blocking IO)

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入,对应java.nio包,提供了 Channel , Selector,Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为Non-blocking,不单纯是New。它是支持面向缓冲的,基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的(网络)应用,应使用 NIO 。
Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为,Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型
我们先来看看同步非阻塞 IO 模型
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同步非阻塞 IO 模型中,应用程序会一直发起 read 调用,这个时候是不阻塞的。但是在数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里,线程依然是阻塞的,直到在内核把数据拷贝到用户空间。
相比于同步阻塞 IO 模型,同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作,避免了一直阻塞。
但是,这种 IO 模型同样存在问题:应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的
这个时候,I/O 多路复用模型就上场了。
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IO 多路复用模型中,线程首先发起 select 调用,询问内核数据是否准备就绪,等内核把数据准备好了,用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程(数据从内核空间 -> 用户空间)还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用,有 select,epoll 等等。select 系统调用,目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

  • select 调用:内核提供的系统调用,它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
  • epoll 调用:linux 2.6 内核,属于 select 调用的增强版本,优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型,通过减少无效的系统调用,减少了对 CPU 资源的消耗
Java 中的 NIO ,有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念,也可以被称为多路复用器。通过它,只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后,才会为其服务。
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注意:本篇博客只是讨论IO模型的特点,起一个概览的作用。具体NIO的详细实现及实战,后面几篇博客会慢慢说明。

5. AIO(Asynchronous IO)

AIO 也就是 NIO 2(改进版)。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型
异步 IO 是基于事件和回调机制实现的,也就是应用操作之后会直接返回,不会堵塞在那里,当后台处理完成,操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。
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目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO,不过又放弃了。这是因为,Netty 使用了 AIO 之后,在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。
最后,来一张图,简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。
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这篇关于【深入理解Java IO流0x07】搞懂Java中的三种IO模型的区别:BIO NIO AIO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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