也談BIO | NIO | AIO （Java版）

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從編程語(yǔ)言層面

BIO

NIO

AIO

實(shí)現(xiàn)原理

底層基礎(chǔ)

關(guān)于BIO | NIO | AIO的討論一直存在，有時(shí)候也很容易讓人混淆，就我的理解，給出一個(gè)解釋：

BIO | NIO | AIO，本身的描述都是在Java語(yǔ)言的基礎(chǔ)上的。而描述IO，我們需要從兩個(gè)層面：

編程語(yǔ)言
實(shí)現(xiàn)原理
底層基礎(chǔ)

從編程語(yǔ)言層面

BIO | NIO | AIO 以Java的角度，理解，linux c里也有AIO的概念(庫(kù))，這些概念不知道什么原因被炒火起來(lái)，這里只從Java角度入手。

BIO，同步阻塞式IO，簡(jiǎn)單理解：一個(gè)連接一個(gè)線程
NIO，同步非阻塞IO，簡(jiǎn)單理解：一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程
AIO，異步非阻塞IO，簡(jiǎn)單理解：一個(gè)有效請(qǐng)求一個(gè)線程

BIO

在JDK1.4之前，用Java編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，都是建立一個(gè)ServerSocket，然后，客戶端建立Socket時(shí)就會(huì)詢問(wèn)是否有線程可以處理，如果沒(méi)有，要么等待，要么被拒絕。即：一個(gè)連接，要求Server對(duì)應(yīng)一個(gè)處理線程。

NIO

在Java里的由來(lái)，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API來(lái)專門操作非阻塞I/O，我們可以在java.nio包及其子包中找到相關(guān)的類和接口。由于這套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，這就是包名nio的由來(lái)。這套API由三個(gè)主要的部分組成：緩沖區(qū)（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心類組成。在理解NIO的時(shí)候，需要區(qū)分，說(shuō)的是New I/O還是非阻塞IO,New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。這里講的是后面一種。

NIO本身是基于事件驅(qū)動(dòng)思想來(lái)完成的，其主要想解決的是BIO的大并發(fā)問(wèn)題：在使用同步I/O的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如果要同時(shí)處理多個(gè)客戶端請(qǐng)求，或是在客戶端要同時(shí)和多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行通訊，就必須使用多線程來(lái)處理。也就是說(shuō)，將每一個(gè)客戶端請(qǐng)求分配給一個(gè)線程來(lái)單獨(dú)處理。這樣做雖然可以達(dá)到我們的要求，但同時(shí)又會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題。由于每創(chuàng)建一個(gè)線程，就要為這個(gè)線程分配一定的內(nèi)存空間（也叫工作存儲(chǔ)器），而且操作系統(tǒng)本身也對(duì)線程的總數(shù)有一定的限制。如果客戶端的請(qǐng)求過(guò)多，服務(wù)端程序可能會(huì)因?yàn)椴豢爸刎?fù)而拒絕客戶端的請(qǐng)求，甚至服務(wù)器可能會(huì)因此而癱瘓。

NIO基于Reactor，當(dāng)socket有流可讀或可寫(xiě)入socket時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)的通知引用程序進(jìn)行處理，應(yīng)用再將流讀取到緩沖區(qū)或?qū)懭氩僮飨到y(tǒng)。
也就是說(shuō)，這個(gè)時(shí)候，已經(jīng)不是一個(gè)連接就要對(duì)應(yīng)一個(gè)處理線程了，而是有效的請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，當(dāng)連接沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，是沒(méi)有工作線程來(lái)處理的。

AIO

與NIO不同，當(dāng)進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，只須直接調(diào)用API的read或write方法即可。這兩種方法均為異步的，對(duì)于讀操作而言，當(dāng)有流可讀取時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將可讀的流傳入read方法的緩沖區(qū)，并通知應(yīng)用程序；對(duì)于寫(xiě)操作而言，當(dāng)操作系統(tǒng)將write方法傳遞的流寫(xiě)入完畢時(shí)，操作系統(tǒng)主動(dòng)通知應(yīng)用程序。
即可以理解為，read/write方法都是異步的，完成后會(huì)主動(dòng)調(diào)用回調(diào)函數(shù)。
在JDK1.7中，這部分內(nèi)容被稱作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四個(gè)異步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，會(huì)返回一個(gè)帶回調(diào)函數(shù)的對(duì)象，當(dāng)執(zhí)行完讀取/寫(xiě)入操作后，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

實(shí)現(xiàn)原理

說(shuō)道實(shí)現(xiàn)原理，還要從操作系統(tǒng)的IO模型上了解

按照《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》的劃分，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO和異步IO，按照POSIX標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分只分為兩類：同步IO和異步IO。如何區(qū)分呢？首先一個(gè)IO操作其實(shí)分成了兩個(gè)步驟：發(fā)起IO請(qǐng)求和實(shí)際的IO操作，同步IO和異步IO的區(qū)別就在于第二個(gè)步驟是否阻塞，如果實(shí)際的IO讀寫(xiě)阻塞請(qǐng)求進(jìn)程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系統(tǒng)幫你做完IO操作再將結(jié)果返回給你，那么就是異步IO。阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別在于第一步，發(fā)起IO請(qǐng)求是否會(huì)被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是傳統(tǒng)的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

收到操作系統(tǒng)的IO模型，又不得不提select/poll/epoll/iocp，關(guān)于這四個(gè)的理解，不多做解釋，自己還沒(méi)理解到位。

可以理解的說(shuō)明是：在Linux 2.6以后，java NIO的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這點(diǎn)可以通過(guò)jdk的源代碼發(fā)現(xiàn)。而AIO，在windows上是通過(guò)IOCP實(shí)現(xiàn)的，在linux上還是通過(guò)epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：AIO，這是I/O處理模式，而epoll等都是實(shí)現(xiàn)AIO的一種編程模型；換句話說(shuō)，AIO是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，各家操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)也可以不實(shí)現(xiàn)。在不同操作系統(tǒng)上在高并發(fā)情況下最好都采用操作系統(tǒng)推薦的方式。Linux上還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式的AIO。