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社区首页 >专栏 >Java 提供了哪些 IO 方式, NIO 如何实现多路复用

Java 提供了哪些 IO 方式, NIO 如何实现多路复用

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王小明_HIT
发布2020-05-25 23:38:03
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发布2020-05-25 23:38:03
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Java 提供了哪些 IO 方式, NIO 如何实现多路复用

Java IO 方式

Java IO 方式有很多种,基于不同的 IO 抽象模型和交互方式,可以进行简单区分。

同步阻塞 IO

首先,传统的 Java.io 包基于流模型实现,提供了我们最熟知的一些 IO 功能,比如 File 抽象,输入输出流等,交互方式是同步 、阻塞的方式,也就是说,在读取输入流或者写入输出流是,在读写动作完成之前,线程会一直阻塞在哪,他们之间的调用时可靠的先行顺序。

java.io 包的好处就是代码比较简单直观,缺点就是 IO 效率和扩展性存在的局限性,容易成为应用性能的瓶颈。

很多时候,人们也把 java.net下面提供的部分网络API,比如 Socket、 Serversocket、 HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库,因为网络通信IO行为。

同步非阻塞IO

在Java1.4中引入了NIO框架(java.nio包),提供了 Channel、 Selector、 Buffer等新的抽象,可以构建多路复用的、同步非阻塞IO程序,同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方

异步非阻塞IO

第三,在Java7中,NIO有了进一步的改进,也就是NIO2,引入了异步非阻塞IO方式,也有很多人叫它AIO( Asynchronous IO)。异步IO操作基于事件和回调机制,可以简单理解为,应用操作直接返回,而不会阻塞在那里,当后台处理完成,操作系统会通知相应线程进行后续工作。

什么是同步异步?

区分同步或异步( synchronous/ asynchronous)。简单来说,同步是一种可靠的有序运行机制,当我们进行同步操作时,后续的任务是等待当前调用返回,才会进行下而异步则相反,其他任务不需要等待当前调用返回,通常依靠事件、回调等机制来实现任务间次序关系

什么是阻塞非阻塞?

区分阻塞与非阻塞( blocking/on- blocking)。在进行阻塞操作时,当前线程会处于阻塞状态,无法从事其他任务,只有当条件就绪才能继续,比如 Serversocket新连接建立完毕,或数据读取、写入操作完成;而非阻塞则是不管IO操作是否结束,直接返回,相应操作在后台继续处理。

  • https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/io/streams.html

java.io 具体实现

  • IO不仅仅是对文件的操作,网络编程中,比如 Socket 通信,都是典型的IO操作目标。
  • 输入流、输出流( Inputstream/outputstream)是用于读取或写入字节的,例如操作图片文件。
  • Reader/ Writer则是用于操作字符,增加了字符编解码等功能,适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节,不管是网络通信还是文件读取, Reader/ Writer相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁
  • BufferedOutputStream 等带缓冲区的实现,可以避免频繁的磁盘读写,进而提高IO处理效率。这种设计利用了缓冲区,将批量数据进行一次操作,很多IO工具类都实现了Closeable接口,因为需要进行资源的释放。比如,打开 FileInputstream,它就会获取相应的文件描述符( FileDescriptor)
  • 利用 try-with-resources、try-finally 等机制保证 FileInputstream被明确关闭,进而相应文件描述符也会失效,否则将导致资源无法被释放。之前提到的 Cleaner或finalizer 机制作为资源释放的最后保障,也是必要的。
  • https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4NDEwMzU3Mg==&mid=2247484409&idx=1&sn=3493be8a596b09ce0303cde0c0bc9fed&chksm=fd9fa002cae82914d77792d2232a74a76cb41525a164abd3bb1ac012d78edf089e242d3f9d5d&token=2120176138&lang=zh_CN#rd

image

Java NIO

组成部分

  • Buffer , 高效的数据容器,处理布尔类型,所有的原始数据类型,都有相应的Buffer 实现。
  • Channel ,类似 在linux 之类操作系统上看到的文件描述符,是 NIO 中被用来支撑批量式 IO 操作的一种抽象。File 或者 Socket ,通常被认为是 比较高层次的抽象,而 Channel 则是更加操作系统底层的一种抽象,这也使得 NIO 可以充分利用现代操作系统底层机制,获得特定场景的性能优化。
  • Selector 是 NIO 实现多路复用的基础,它提供了一种高效的机制,可以检测到注册在Selector 上的多个 Channel 中,是否有 Channel 处于就绪状态,进而实现单线程对多 Channel 的高效处理。
  • Charset 提供了 Unicode 字符串定义,NIO 提供了相应的解码器等,
Charset.defaultCharset().encode("Hello world!")

Selector 同样是基于底层操作系统机制,不同模式,不同版本都存在区别,例如。在 linux 上依赖 epoll, windows 上 NIO2 依赖的是 iocp。

  • hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/linux/classes/sun/nio/ch/EPollSelectorImpl.java
  • http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/windows/classes/sun/nio/ch/Iocp.java

NIO 能解决什么问题

通过一个典型场景,为什么需要多路复用,如果需要实现一个服务器应用,只简单要求能同时服务多个客户端请求即可。

同步阻塞 API 实现

  • 服务器端启动 ServerSocket ,端口0表示自动绑定一个空隙端口。
  • 调用 accept 方法,阻塞等待客户端连接
  • 利用 Socket 模拟一个简单的客户端只进行连接,读取打印。
  • 当连接建立后,启动一个单独线程回复端请求。
同步阻塞IO 实现
public class DemoServer extends Thread {
    private ServerSocket serverSocket;

    public int getPort() {
        return serverSocket.getLocalPort();
    }

    public void run() {
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(0);
            while (true) {
                // 非常占用内存资源,每个客户端启用一个线程是十分不合理
                Socket socket = serverSocket.accept();
                RequesHandler requesHandler = new RequesHandler(socket);
                requesHandler.start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (serverSocket != null) {
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                ;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DemoServer server = new DemoServer();
        server.start();
        try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
            BufferedReader buferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
            buferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
        }
    }
}

// 简化实现,不做读取,直接发送字符串
class RequesHandler extends Thread {
    private Socket socket;

    RequesHandler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
            out.println("Hello world!");
            out.flush();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

每次 new 一个线程或者销毁一个线程是有明显的开销的,每个线程都有单独的线程结构,非常占用内存资源,每个客户端启用一个线程是十分不合理的, 因此可以采用线程池的方式进行优化.

伪异步 IO

也是阻塞IO,采用线程池的方式处理请求,当来一个新的客户端连接时,将请求 Socket 封装成一个 task ,放到线程池中取执行。

serverSocket = new ServerSocket(0);
executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
while (true) {
    Socket socket = serverSocket.accept();
    RequesHandler requesHandler = new RequesHandler(socket);
    executor.execute(requesHandler);
}

通过一个固定大小的线程池,来负责管理工作线程,避免频繁创建,销毁线程的开销。

image

试想,如果连接数并不是特别多,只有几百个连接,这种模式可以很好的工作。但是如果连接数急剧上升,这种实现就无法很好的工作,因为线程上下文切换开销会在高并发时变得很明显。

如果连接数并不是非常多,只有最多几百个连接的普通应用,这种模式往往可以工作的很好。但是,如果连接数量急剧上升,这种实现方式就无法很好地工作了,因为线程上下文切换开销会在高并发时变得很明显,这是同步阻塞方式的低扩展性劣势。

NIO 实现

NIO(非阻塞IO) 多路复用机制

public class NIOServer extends Thread {
    public void run() {
        try (Selector selector = Selector.open(); ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建Selector和Channel
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
            serverSocket.configureBlocking(false);
            // 注册到Selector,并说明关注点
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();// 阻塞等待就绪的Channel,这是关键点之一
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    // 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
                    sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
        try (SocketChannel client = server.accept();) {
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
            client.read(readBuffer);
            System.out.println("Server received : " + new String(readBuffer.array()));
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
            writeBuffer.put("hello xiaoming".getBytes());
            writeBuffer.flip();
            client.write(writeBuffer);
            //client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.start();
        
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));

            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

            writeBuffer.put("hello".getBytes());
            writeBuffer.flip();

            while (true) {
                writeBuffer.rewind();
                socketChannel.write(writeBuffer);
//                readBuffer.clear();
                socketChannel.read(readBuffer);
                System.out.println("Client received : " + new String(readBuffer.array()));
            }
        } catch (IOException e) {
        }
        
    }

/**
 * @return
 */
private int getPort() {
    return 8888;
}

这样做的好处:

  • 首先,通过 Selector.open()创建一个 Selector 类似调度员的角色。
  • 然后,创建一个 ServerSocketChannel ,并且向 Selector 注册,并且通过指定 SelectionKey.OP_ACCEPT ,告诉调度员,他关注的是最新连接请求。
  • Selector 阻塞在 select 操作,当有Channel 发送接入请求,就会被唤醒。
  • 在 sayHelloWorld 方法中,通过 socketChannel 和 Buffer 进行数据操作。

在前面两个样例,阻塞IO和伪异步IO,一个是使用 new 线程的方式,一个是采用线程池管理的方式, IO都是同步阻塞模式,所以需要多线程以实现多任务处理。而 NIO 则是利用了单线程轮询事件的机制,通过高效地定位就绪的Channel,来决定做什么,仅仅select阶段是阻塞的,可以有效避免大量客户端连接时,频繁线程切换带来的问题,应用的扩展能力有了非常大的提高。

AIO 实现

JDK 1.7 升级了NIO 类库,升级后的 NIO 也被称为 NIO 2.0 ,NIO 2.0 引入了异步通道的概念,并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

  • 通过 java.util.concurrent.Future 类来标识异步操作的结果
  • 在执行异步操作的时候出入一个 java.nio.channels

跟 NIO 比对

  • 基本抽象很相似, AsynchronousServerSocketChannel对应于NIO例子中的ServerSocketChannel;AsynchronousSocketChannel则对应SocketChannel。
  • 业务逻辑的关键在于,通过指定CompletionHandler回调接口,在accept/read/write等关键节点,通过事件机制调用,这是非常不同的一种编程思路。
AsynchronousServerSocketChannel serverSock = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
serverSock.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
    final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    @Override
    public void completed(final AsynchronousSocketChannel result, Object attachment) {
        buffer.clear();
        try {
            // 把socket中的数据读取到buffer中
            result.read(buffer).get();
            buffer.flip();
            System.out.println("Echo " + new String(buffer.array()).trim() + " to " + result);
            // 把收到的直接返回给客户端
            result.write(buffer);
            buffer.flip();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {

        }
    }

    @Override
    public void failed(Throwable throwable, Object attachment) {
    }
});
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原始发表:2020-05-16,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • Java 提供了哪些 IO 方式, NIO 如何实现多路复用
    • Java IO 方式
      • 同步阻塞 IO
      • 同步非阻塞IO
      • 异步非阻塞IO
      • 什么是同步异步?
      • 什么是阻塞非阻塞?
    • java.io 具体实现
      • Java NIO
        • 组成部分
      • NIO 能解决什么问题
        • 同步阻塞 API 实现
          • NIO 实现
            • AIO 实现
              • 跟 NIO 比对
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