技术分享|Java 中 BIO 、NIO和AIO的理解

2018-03-28 15:17:21

本文内容涉及同步与异步,阻塞与非阻塞,BIONIOAIO等概念,这块内容本身比较复杂,很难用三言两语说明白,而书上的定义更不容易理解是什么意思。下面这些内容是按照西安中软卓越老师的理解,以尽可能简单易懂的语言组织出来,希望能够帮助理解这些概念。

技术分享|Java 中 BIO 、NIO和AIO的理解.jpg

在高性能的IO体系设计中,有几个名词概念常常会使我们感到迷惑不解。具体如下:

序号问题

1什么是同步?

2什么是异步?

3什么是阻塞?

4什么是非阻塞?

5什么是同步阻塞?

6什么是同步非阻塞?

7什么是异步阻塞?

8什么是异步非阻塞?

在弄清楚上面的几个问题之前,我们首先得明白什么是同步,异步,阻塞,非阻塞,只有这几个单个概念理解清楚了,然后在组合理解起来,就相对比较容易了。

1,同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。

2,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函数的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

由上描述基本可以总结一句简短的话,同步和异步是目的,阻塞和非阻塞是实现方式。

Java 中 BIO 、NIO和AIO的理解.jpg

下面我们再来理解组合方式的IO类型,就好理解多了。

同步阻塞IOJAVABIO):

同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善。

同步非阻塞IO(JavaNIO)

同步非阻塞,服务器实现模式为一个请求一个线程,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。用户进程也需要时不时的询问IO操作是否就绪,这就要求用户进程不停的去询问。

异步阻塞IOJavaNIO):

此种方式下是指应用发起一个IO操作以后,不等待内核IO操作的完成,等内核完成IO操作以后会通知应用程序,这其实就是同步和异步最关键的区别,同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成,那么为什么说是阻塞的呢?因为此时是通过select系统调用来完成的,而select函数本身的实现方式是阻塞的,而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄(如果从UNP的角度看,select属于同步操作。因为select之后,进程还需要读写数据),从而提高系统的并发性!

JavaAIO(NIO.2))异步非阻塞IO:

在此种模式下,用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回,等IO操作真正的完成以后,应用程序会得到IO操作完成的通知,此时用户进程只需要对数据进行处理就好了,不需要进行实际的IO读写操作,因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。

BIONIOAIO适用场景分析:

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局限于应用中,编程比较复杂,JDK1.4开始支持。

AIO方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持。

搞清楚了以上概念以后,我们再回过头来看看,Reactor模式和Proactor模式。

(其实阻塞与非阻塞都可以理解为同步范畴下才有的概念,对于异步,就不会再去分阻塞非阻塞。对于用户进程,接到异步通知后,就直接操作进程用户态空间里的数据好了。)

首先来看看Reactor模式,Reactor模式应用于同步I/O的场景。我们分别以读操作和写操作为例来看看Reactor中的具体步骤:

1.应用程序注册读就绪事件和相关联的事件处理器

2.事件分离器等待事件的发生

3.当发生读就绪事件的时候,事件分离器调用第一步注册的事件处理器

4.事件处理器首先执行实际的读取操作,然后根据读取到的内容进行进一步的处理

写入操作类似于读取操作,只不过第一步注册的是写就绪事件。

下面我们来看看Proactor模式中读取操作和写入操作的过程:

1.应用程序初始化一个异步读取操作,然后注册相应的事件处理器,此时事件处理器不关注读取就绪事件,而是关注读取完成事件,这是区别于Reactor的关键。

2.事件分离器等待读取操作完成事件

3.在事件分离器等待读取操作完成的时候,操作系统调用内核线程完成读取操作(异步IO都是操作系统负责将数据读写到应用传递进来的缓冲区供应用程序操作,操作系统扮演了重要角色),并将读取的内容放入用户传递过来的缓存区中。这也是区别于Reactor的一点,Proactor中,应用程序需要传递缓存区。

4.事件分离器捕获到读取完成事件后,激活应用程序注册的事件处理器,事件处理器直接从缓存区读取数据,而不需要进行实际的读取操作。

Proactor中写入操作和读取操作,只不过感兴趣的事件是写入完成事件。

从上面可以看出,ReactorProactor模式的主要区别就是真正的读取和写入操作是有谁来完成的,Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据,而Proactor模式中,应用程序不需要进行实际的读写过程,它只需要从缓存区读取或者写入即可,操作系统会读取缓存区或者写入缓存区到真正的IO设备.

综上所述,同步和异步是相对于应用和内核的交互方式而言的,同步需要主动去询问,而异步的时候内核在IO事件发生的时候通知应用程序,而阻塞和非阻塞仅仅是系统在调用系统调用的时候函数的实现方式而已。

如果你想吃一份宫保鸡丁盖饭:

同步阻塞:你到饭馆点餐,然后在那等着,还要一边喊:好了没啊!

同步非阻塞:在饭馆点完餐,就去遛狗了。不过溜一会儿,就回饭馆喊一声:好了没啊!

异步阻塞:遛狗的时候,接到饭馆电话,说饭做好了,让您亲自去拿。

异步非阻塞:饭馆打电话说,我们知道您的位置,一会给你送过来,安心遛狗就可以了。

"一个IO操作其实分成了两个步骤:发起IO请求和实际的IO操作。

同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞,如果实际的IO读写阻塞请求进程,那么就是同步IO

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步,发起IO请求是否会被阻塞,如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO,如果不阻塞,那么就是非阻塞IO

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。而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函数的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

所以,IO操作可以分为3类:同步阻塞(即早期的IO操作)、同步非阻塞(NIO)、异步(AIO)。

同步阻塞:

在此种方式下,用户进程在发起一个IO操作以后,必须等待IO操作的完成,只有当真正完成了IO操作以后,用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式。

同步非阻塞:

在此种方式下,用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情,但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪,这就要求用户进程不停的去询问,从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVANIO就属于同步非阻塞IO

异步:

此种方式下是指应用发起一个IO操作以后,不等待内核IO操作的完成,等内核完成IO操作以后会通知应用程序。"

作为一名开发人员,技术是立身的根本,是拴马桩的尊严;对于一个做教育机构,口碑如水是生命之源,是长盛不衰的根本。13年历经风雨依然昂首前行,未来的西安中软卓越同样会恪守初心,以技术立身,培养IT精英,捍卫教育本质。

本文由中软卓越(西安)汇集整理,转载请注明作者及出处。

如需学习java、UI设计、软件测试、Python、大数据、嵌入式、Linxu云计算,请点击咨询,加入我们让你的未来不再迷茫。

关于我们

【中软卓越】-中软国际旗下高端教育品牌,是中软国际有限公司投资的大型人才服务机构,是中软国际人才战略的核心组成部分之一,承担集团发展过程中人才储备和培养的任务;专注IT培训37年,国内高端IT培训品牌,教育部指定官方IT人才培训机构。专注java培训、UI设计培训、软件测试培训、Python培训、大数据培训、嵌入式培训、Linxu云计算培训等培训课程。217家合作院校,880家合作企业,真实项目实战,素质拓展,职业规划。零首付,100%保障就业,先就业,后付款。

最牛逼的毕业学员入职名企享受高薪就业。880家合作企业,年培育学员人数逾6000人,毕业学员就职于中软国际、百度、腾讯、阿里巴巴、IBM、华为科技、中兴通讯、软通动力等知名企业。

还有什么疑问?我们全面为你解答!为您提供一对一专人服务,请点击下方咨询

  • 卓越资讯
  • 猜你想看
  • 常见问题

    Java是一门面向对象编程语言,不仅吸收了C++语言的各种优点,还摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念,因此Java语言具有功能强大和简单易用两个特征。[详细课程]

    软件开发是根据用户要求建造出软件系统或者系统中的软件部分的过程;软件开发是一项包括需求捕捉、需求分析、设计、实现和测试的系统工程。[详细课程]

    软件测试是在规定的条件下对程序进行操作,以发现程序错误,衡量软件质量,并对其是否能满足设计要求进行评估的过程。[详细课程]

    Python是一种面向对象的解释型计算机程序设计语言,语法简洁清晰,特色之一是强制用空白符作为语句缩进,它常被昵称为胶水语言,能够把用其他语言制作的各种模块。[详细课程]

    UI设计分为实体UI和虚拟UI,互联网说的UI设计是虚拟UI,一般是指对软件的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设计。[详细课程]

    大数据,又称巨量资料,指的是所涉及的数据资料量规模巨大到无法通过人脑甚至主流软件工具,在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。[详细课程]

    云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问, 进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络,服务器,存储,应用软件,服务),这些资源能够被快速提供,只需投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互。[详细课程]

    西安市长安北路8号高速大厦三楼

    电话:029-61876930