NIO (New I/O)

NIO (New I/O)

NIO 简介

NIO是一种同步非阻塞的I/O模型,在Java 1.4 中引入了 NIO 框架,对应 java.nio 包,提供了 Channel , Selector,Buffer等抽象。

NIO中的N可以理解为Non-blocking,不单纯是New。它支持面向缓冲的,基于通道的I/O操作方法。 NIO提供了与传统BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现,两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的支持一样,比较简单,但是性能和可靠性都不好;非阻塞模式正好与之相反。对于低负载、低并发的应用程序,可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性;对于高负载、高并发的(网络)应用,应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

NIO的特性/NIO与IO区别

如果是在面试中回答这个问题,我觉得首先肯定要从 NIO 流是非阻塞 IO 而 IO 流是阻塞 IO 说起。然后,可以从 NIO 的3个核心组件/特性为 NIO 带来的一些改进来分析。如果,你把这些都回答上了我觉得你对于 NIO 就有了更为深入一点的认识,面试官问到你这个问题,你也能很轻松的回答上来了。

Non-blocking IO(非阻塞IO)

IO流是阻塞的,NIO流是不阻塞的。

Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说,单线程中从通道读取数据到buffer,同时可以继续做别的事情,当数据读取到buffer中后,线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外,非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道,但不需要等待它完全写入,这个线程同时可以去做别的事情。

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取,或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了

Buffer(缓冲区)

IO 面向流(Stream oriented),而 NIO 面向缓冲区(Buffer oriented)。 Buffer是一个对象,它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象,体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中·可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类,但只是流的包装类,还是从流读到缓冲区,而 NIO 却是直接读到 Buffer 中进行操作。

在NIO厍中,所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时,写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据,都是通过缓冲区进行操作。

最常用的缓冲区是 ByteBuffer,一个 ByteBuffer 提供了一组功能用于操作 byte 数组。除了ByteBuffer,还有其他的一些缓冲区,事实上,每一种Java基本类型(除了Boolean类型)都对应有一种缓冲区。

Channel (通道)

NIO 通过Channel(通道) 进行读写。

通道是双向的,可读也可写,而流的读写是单向的。无论读写,通道只能和Buffer交互。因为 Buffer,通道可以异步地读写。

Selector (选择器)

NIO有选择器,而IO没有。

选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此,它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此,为了提高系统效率选择器是有用的。 Slector

NIO 读数据和写数据方式

通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel(通道) 开始的。

从通道进行数据读取 :创建一个缓冲区,然后请求通道读取数据。 从通道进行数据写入 :创建一个缓冲区,填充数据,并要求通道写入数据。 数据读取和写入操作图示: NIO读写数据的方式

NIO核心组件简单介绍

NIO 包含下面几个核心的组件:

Channel(通道) Buffer(缓冲区) Selector(选择器) 整个NIO体系包含的类远远不止这三个,只能说这三个是NIO体系的“核心API”。我们上面已经对这三个概念进行了基本的阐述,这里就不多做解释了。

代码示例

代码示例出自闪电侠的博客,原地址如下:

https://www.jianshu.com/p/a4e03835921a

客户端 IOClient.java 的代码不变,我们对服务端使用 NIO 进行改造。以下代码较多而且逻辑比较复杂,大家看看就好。

/**
 * 
 * @author 闪电侠
 * @date 2019年2月21日
 * @Description: NIO 改造后的服务端
 */
public class NIOServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. serverSelector负责轮询是否有新的连接,服务端监测到新的连接之后,不再创建一个新的线程,
    // 而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样就不用 IO 模型中 1w 个 while 循环在死等
    Selector serverSelector = Selector.open();
    // 2. clientSelector负责轮询连接是否有数据可读
    Selector clientSelector = Selector.open();

    new Thread(() -> {
      try {
        // 对应IO编程中服务端启动
        ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
        listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
        listenerChannel.configureBlocking(false);
        listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
          // 监测是否有新的连接,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (serverSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
              SelectionKey key = keyIterator.next();

              if (key.isAcceptable()) {
                try {
                  // (1) 每来一个新连接,不需要创建一个线程,而是直接注册到clientSelector
                  SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                  clientChannel.configureBlocking(false);
                  clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();
    new Thread(() -> {
      try {
        while (true) {
          // (2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (clientSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
              SelectionKey key = keyIterator.next();

              if (key.isReadable()) {
                try {
                  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                  // (3) 面向 Buffer
                  clientChannel.read(byteBuffer);
                  byteBuffer.flip();
                  System.out.println(
                      Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer).toString());
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                  key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();

  }
}

为什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 进行开发呢?从上面的代码中大家都可以看出来,是真的难用!除了编程复杂、编程模型难之外,它还有以下让人诟病的问题:

JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现,该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100% 项目庞大之后,自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug,维护成本较高,上面这一坨代码我都不能保证没有 bug Netty 的出现很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题。

AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞的IO模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的,也就是应用操作之后会直接返回,不会堵塞在那里,当后台处理完成,操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

AIO 是异步IO的缩写,虽然 NIO 在网络操作中,提供了非阻塞的方法,但是 NIO 的 IO 行为还是同步的。对于 NIO 来说,我们的业务线程是在 IO 操作准备好时,得到通知,接着就由这个线程自行进行 IO 操作,IO操作本身是同步的。