Java I/O 模型详解

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前言

Java 中有 3 种主要的 I/O 模型：同步阻塞 I/O（BIO）、同步非阻塞 I/O（NIO）和异步非阻塞 I/O（AIO），除了这 3 种主要的 I/O 模型，还有多路复用 I/O 模型和信号驱动模型。它们的区别主要在于处理 I/O 操作时线程的行为方式，以及应用程序对于 I/O 完成时的处理方式。

I/O 模型介绍

I/O 模型的简介

  • 同步阻塞 I/O 模型（Blocking I/O，简称阻塞 I/O）是 Java 最早引入的模型之一，它的特点是在执行 I/O 操作时会阻塞当前线程，直到 I/O 操作完成才会继续执行后续代码。在同步阻塞 I/O 模型中，当一个线程调用读取操作时，如果没有数据可读，线程将一直阻塞在读取操作上，直到有数据到达为止。同样，当一个线程调用写入操作时，如果写缓冲区已满，线程将一直阻塞在写入操作上，直到有空间可用为止。同步阻塞 I/O 模型的优点是简单易用，但其缺点是效率较低，不适用高并发场景，因为线程在等待 I/O 操作完成时会被阻塞，无法处理其他任务。

  • 同步非阻塞 I/O 模型（Non-blocking I/O，简称非阻塞 I/O）是对同步阻塞 I/O 模型（BIO）的改进，从 Java 1.4 开始支持。在同步非阻塞 I/O 模型中，当一个线程调用读取操作时，如果没有数据可读，线程不会被阻塞，而是立即返回一个错误码或空值。同样，当一个线程调用写入操作时，如果写缓冲区已满，线程也不会被阻塞，而是立即返回一个错误码。通过不断地轮询 I/O 操作的状态，同步非阻塞 I/O 模型可以实现在等待 I/O 操作完成的同时处理其他任务。同步非阻塞 I/O 模型的优点是能够提高系统的并发性能，但其缺点是需要频繁地轮询 I/O 操作的状态，会造成 CPU 资源的浪费，而且实现相对复杂，需要一定的编程技巧。这种模型适用于需要处理多个连接但每个连接比较短（轻操作）的场景，如实时通讯系统、聊天服务器等。

  • 多路复用 I/O 模型（Multiplexing I/O）可以实现同时监控多个 I/O 操作的状态。Java 中的多路复用 I/O 一般是建立在同步非阻塞 I/O 模型（NIO）基础之上实现的，比如 Netty 网络编程框架。在多路复用 I/O 模型中，一个线程可以同时监听多个 I/O 操作的状态，当某个 I/O 操作就绪时，线程可以进行相应的读取或写入操作。通过这种方式，多路复用 I/O 模型可以在一个线程中处理多个 I/O 操作，提高系统的并发性能。多路复用 I/O 模型的优点是能够有效地减少线程的数量，降低系统资源的消耗，但其缺点是实现复杂度较高，需要一定的编程技巧。

  • 异步非阻塞 I/O 模型（Asynchronous I/O，简称异步 I/O）是最高级别的 I/O 模型之一，性能和吞吐量最高，从 Java 1.7 开始支持。它通过将 I/O 操作的结果通知给应用程序，来实现非阻塞的 I/O 操作。在异步非阻塞 I/O 模型中，应用程序发起一个 I/O 操作后，不需要等待操作完成，而是可以继续执行其他任务。当 I/O 操作完成后，操作系统会通知应用程序，应用程序再进行相应的处理。异步非阻塞 I/O 模型的优点是能够充分利用系统资源，提高系统的并发性能，但其缺点是需要操作系统的支持，在某些操作系统（如 Windows）上的支持不如 NIO 成熟，对于编程人员来说，实现相对复杂。这种模型适用于需要处理多个连接且每个连接比较长（重操作），并且要求高性能、高并发的场景，例如高性能服务器、流媒体服务器等。

上面的同步、异步是针对请求（如 HTTP 请求）而言的，而阻塞和非阻塞是针对客户端（如浏览器）而言的。比如，在一次网络请求中，客户端会发送一个请求到服务器：

  • 客户端发送请求后，就一直等待服务端响应。此时，客户端：阻塞，请求：同步。
  • 客户端发送请求后，就去干别的事情了，时不时过来检查一下服务端是否返回响应。此时，客户端：非阻塞，请求：同步。
  • 客户端发送请求后，就去干别的事情了，等到服务端返回响应后，再过来处理结果。此时，客户端：非阻塞，请求：异步。

I/O 模型的区别

  1. 同步阻塞 I/O（Blocking I/O，简称阻塞 I/O）：

    • 在同步阻塞 I/O 模型中，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会一直阻塞直到该操作完成。这意味着线程会一直等待，直到数据可读取或者可以写入。
    • 同步阻塞 I/O 模型通常会导致线程资源的浪费，因为线程可能会长时间地等待 I/O 操作完成，而此时它无法执行其他任务。
    • 优点：简单易用，在连接数不多且并发要求不高的情况下，性能表现可以接受。
    • 缺点：每个连接都需要一个独立的线程，当连接数较多时，性能和吞吐量下降明显，并容易造成线程资源浪费。
    • 适用场景：适用于连接数较少且并发要求不高的场景，例如传统的 Web 应用。

  2. 同步非阻塞 I/O（Non-blocking I/O，简称非阻塞 I/O）：

    • 在同步非阻塞 I/O 模型中，当一个线程执行一个 I/O 操作时，它不会被阻塞。线程会立即返回，告诉调用者当前操作无法完成，而不是一直等待。
    • 如果 I/O 操作没有完成，应用程序可以继续做其他事情，而不必等待该操作完成。
    • 优点：单线程能够管理多个连接，提高了并发处理能力，减少了线程资源的浪费。
    • 缺点：需要频繁地轮询 I/O 操作的状态，容易造成 CPU 资源的浪费。
    • 适用场景：适用于需要处理多个连接但每个连接比较短（轻操作）的场景，如实时通讯系统、聊天服务器等。

  3. 异步非阻塞 I/O（Asynchronous I/O，简称异步 I/O）：

    • 在异步非阻塞 I/O 模型中，一个 I/O 操作的完成不会导致调用线程阻塞。相反，应用程序会提交一个 I/O 请求，然后继续执行其他任务。
    • 当 I/O 操作完成时，系统会通知应用程序，或者调用预先指定的回调函数来处理完成事件。
    • 优点：相比于 NIO 而言，AIO 更加灵活，能够在 I/O 操作完成时异步地通知应用程序。
    • 缺点：需要操作系统的支持，在某些操作系统（如 Windows）上的支持不如 NIO 成熟，对于编程人员来说，实现相对复杂。
    • 适用场景：适用于需要处理多个连接且每个连接比较长（重操作），并且要求高性能、高并发的场景，例如高性能服务器、流媒体服务器等。

不同 I/O 模型之间的区别总结：

  • 同步阻塞 I/O 会导致线程阻塞，而同步非阻塞 I/O 和异步非阻塞 I/O 允许线程在 I/O 操作完成期间继续执行其他任务。
  • 同步非阻塞 I/O 允许一个线程处理多个 I/O 通道，而异步非阻塞 I/O 更加灵活，可以在 I/O 操作完成后异步处理结果。
  • 异步非阻塞 I/O 提供了最大的性能和资源利用率，但是它的实现相对复杂，需要一定的编程技巧。

同步非阻塞 I/O 模型

核心组件的介绍

Java NIO 的核心组件分别是 Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器），它们的关系如下图所示。Channel 类似于流，每个 Channel 对应一个 Buffer，而且 Channel 会注册到 Selector 中去。Selector 会根据 Channel 上发生的读 / 写事件，将请求交给某个空闲线程进行处理。值得一提的是，每个 Selector 对应一个线程，Buffer 和 Channel 都是可读可写的。

  • Buffer（缓冲区）：

    • 缓冲区是 NIO 中的基本数据容器。它是一块连续的内存块，用于存储数据。在 NIO 中，所有数据都必须首先存入缓冲区，然后才能从缓冲区读取。
    • 主要子类有 ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer 和 DoubleBuffer，分别用于不同类型的数据。

  • Channel（通道）：

    • 通道是 NIO 中用于进行数据传输的对象。它可以与缓冲区进行交互，将数据从缓冲区读入通道，或者将数据从通道写入缓冲区。
    • Java NIO 提供了多种类型的通道，如 FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 和 DatagramChannel，用于处理文件、网络等不同的 I/O 操作。

  • Selector（选择器）：

    • 选择器是 NIO 中用于多路复用的关键组件。它允许单个线程同时监听多个通道的 I/O 事件，当某个通道有数据可读或者可写事件时，可以立即处理该事件。
    • 使用选择器可以减少线程的数量，提高系统的并发处理能力，使得在单个线程中可以同时处理多个通道的 I/O 操作。

参考资料