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title: java nio aio bio概念
date: 2018/1/13 21:12:55
tags: [nio,aio]
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• 開發
• java

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就目前來說，大多數的系統瓶頸在io , io的瓶頸又在定址 ……

跑題了，我先來記錄總結幾個基本概念吧

IO分兩階段：

1.資料準備階段
2.核心空間複製回用戶程序緩衝區階段

一般來講：阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO複用模型(select/poll/epoll)、訊號驅動IO模型都屬於同步IO，因為階段2是阻塞的(儘管時間很短)。只有非同步IO模型是符合POSIX非同步IO操作含義的，不管在階段1還是階段2都可以幹別的事。

阻塞和非阻塞

是程序訪問資料的時候，資料是否準備就緒的一種處理方式 。

當資料沒有準備好的時候：

• 阻塞

  需要等待資料緩衝區中的資料準備好後，才處理其它事情

• 非阻塞

  資料如果沒有準備好，直接返回

同步和非同步

基於應用程式和作業系統處理io事件所採用的方式

• 同步

  1. 應用程式直接參與io讀寫的操作

  2. 會阻塞在某個方法上等待io事件的完成（阻塞io事件 或者 通過輪詢方式）

     • 阻塞io事件

       不能做自己的事情，一直阻塞執行緒

     • IO事件輪詢方式（多路複用，Select模式）

       讀寫事件交給一個單獨的（select）執行緒來處理，並完成io事件的註冊功能 ，然後不斷的輪詢讀寫緩衝區看資料是否準備好，有資料通知我們的讀寫執行緒 。這樣以前的讀寫執行緒可以做其它事情 ，因為這個時候阻塞的不是所有的io執行緒，而是select執行緒 （select 相當於一個管家）

       但是它還是同步的，因為真正的io操作不是完全交給作業系統的，應用程式要參與

     • 例子（把select比做管家，還有客人和主人）：

       當【客人】來拜訪【主人】的時候，先找到【管家】，【管家】得到這個註冊資訊後，跟【主人】說：我這裡來了一個或者多個【客人】，他們需要【主人】給他們某某東西 。這個時候【客人】可以去做其它事情，比如看看花園 。當【管家】得知【主人】準備好東西后，他就去找對應的某人 告訴這位【客人】主人給他某樣東西 ，這個時候阻塞是發生在 【管家】不是【客人】

• 非同步

  1. 所有的io操作交給OS處理

  2. 可以去做其它事情，並不需要去完成真正的io操作，當作業系統完成io後，給我們應用程式一個通知就行

• 例子（來源於網路）阻塞和非阻塞，同步和非同步

  故事：老王燒開水。

  出場人物：老張，水壺兩把（普通水壺，簡稱水壺；會響的水壺，簡稱響水壺）。

  老王想了想，有好幾種等待方式

  1. 老王用水壺煮水，並且站在那裡，不管水開沒開，每隔一定時間看看水開了沒。－同步阻塞

  老王想了想，這種方法不夠聰明。

  2. 老王還是用水壺煮水，不再傻傻的站在那裡看水開，跑去寢室上網，但是還是會每隔一段時間過來看看水開了沒有，水沒有開就走人。－同步非阻塞

  老王想了想，現在的方法聰明瞭些，但是還是不夠好。

  3. 老王這次使用高大上的響水壺來煮水，站在那裡，但是不會再每隔一段時間去看水開，而是等水開了，水壺會自動的通知他。－非同步阻塞

  老王想了想，不會呀，既然水壺可以通知我，那我為什麼還要傻傻的站在那裡等呢，嗯，得換個方法。

  4. 老王還是使用響水壺煮水，跑到客廳上網去，等著響水壺自己把水煮熟了以後通知他。－非同步非阻塞

  老王豁然，這下感覺輕鬆了很多。

JAVA IO模型

BIO

graph TD Thread((Thread1)) --read-->InputStream1; InputStream1 --io-->Socket1; Thread2((Thread2)) --read-->InputStream2; InputStream2 --io-->Socket2; Thread3((Thread3)) --read-->InputStream3; InputStream3 --io-->Socket3;

JDK1.4以前都是使用的bio

• 阻塞在讀寫方法
• 用阻塞到執行緒來改進效能，但是執行緒也是一個大的開銷
• 阻塞點
  • server.accept()
  • inputstream.read()
• 缺點
  • 單執行緒情況下只能有一個客戶端訪問
  • 用執行緒池可以有多個客戶端連線，但是非常消耗效能

NIO

graph LR; Thread((Thread))--select-->Selector; SocketChannel1--register-selectionkey-->Selector; SocketChannel2--register-selectionkey-->Selector; SocketChannel3--register-selectionkey-->Selector; SocketChannel1--io-->Socket1; SocketChannel2--io-->Socket2; SocketChannel3--io-->Socket3;

New IO,Single thread blocked on selection

阻塞點

• selector.select();//當註冊的事件到達時 該方法返回 ，否則一直阻塞
• select()也可以不阻塞 ，select(millisecond) wakeup() selectNow()
• 單執行緒可以服務多個客戶端

Select模式

• 學習了linux的多路複用技術
• "多路複用" --這裡“多路”指的是多個網路連線，“複用”指的是複用同一個執行緒。採用多路 I/O 複用技術可以讓單個執行緒高效的處理多個連線請求（儘量減少網路 IO 的時間消耗）
• 如果你看select()方法的實現 你會發現：它是用c寫的
  • windows通過winsocket實現
  • linux通過select/poll/epoll實現
• 同步非阻塞 nio v1
• 實現IO事件的輪詢方式
• 常用的網路通訊框架 mina,netty

原理

selector要管理的事情：（所有的io事件）

• 客戶端的連線
• 服務端的accept
• 客戶端和服務端的讀寫

選擇器：當io事件註冊給我們的selector時，selector會分配一個key標記它，當io事件完成時通過這個標記來找到相應的管道，然後通過管道來發送和接收資料等操作

資料緩衝區：bytebuffer 提供很多讀寫方法

重要API:

// Selector
Selector select = Selector.open();
// Server point 
ServerSocketChannel
// client point
SocketChannel 
// 獲取io事件keys 
Selectionkey keys = Selector.selectedKeys();

// 註冊到selector
channel.register(Selector,SelectedKeys.OP_WRITE)

例子

• 客人到餐廳點菜

• 餐廳（系統） ; 餐廳大門（ServerSocketChannel）; 客人（客戶端-SocketChannel）; 服務員（selector + 執行緒);

AIO

• jdk1.7以後 nio v2

• 學習了linux epoll 模式

• 原理

  • AsynchronousServerSocketChannel

  • AsynchronousSocketChannel

  • 使用者處理器：interface CompletionHandler

    • 這個介面向作業系統發起IO請求，當完成後處理具體邏輯，否則做自己該做的事情
    • completed(V result, A attachment)方法
    • fail(Throwable exc result, A attachment)方法

小結

• NIO AIO 原理就是在原來的（serversocket,socket)基礎上做了改進
  • 對讀寫管道進行了抽象，管道Channel
  • 一個連線（TCP,UDP） 可以對應有多個管道

Netty

運用在那些領域？

1. 分散式程序通訊
   例如: hadoop、dubbo、akka , rocketmq等具有分散式功能的框架，底層RPC通訊都是基於netty實現的
2. 遊戲伺服器開發

詳細的另外的文章再寫吧