Java IO学习-NIO 与 BIO 各种概念及区别
Stream 与 Channel 区别
stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层） stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
二者均为全双工，即读写可以同时进行 虽然 Stream 是单向流动的，但是它也是全双工的
IO 模型
同步：线程自己去获取结果（一个线程） 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果
异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程） 例如：线程A调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程B返回
当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：
1、等待数据阶段
2、复制数据阶段：
根据UNIX 网络编程 - 卷 I，IO模型主要有以下几种
阻塞 IO
用户线程进行 read 操作时，需要等待操作系统执行实际的 read 操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作
非阻塞 IO
用户线程在一个循环中一直调用 read 方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回 只是在等待阶段非阻塞
用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果
多路复用 ⭐
Java 中通过 Selector 实现多路复用
- 当没有事件是，调用 select 方法会被阻塞住
- 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用
关于 I/O 多路复用（又被称为 “事件驱动”），首先要理解的是，操作系统为你提供了一个功能，当你的某个 socket 可读或者可写的时候，它可以给你一个通知。
这样当配合非阻塞的 socket 使用时，只有当系统通知我哪个描述符可读了，我才去执行 read 操作，可以保证每次 read 都能读到有效数据而不做纯返回 -1 和 EAGAIN 的无用功，写操作类似。
操作系统的这个功能是通过 select/poll/epoll/kqueue 之类的系统调用函数来实现，这些函数都可以同时监视多个描述符的读写就绪状况，这样，多个描述符的 I/O 操作都能在一个线程内并发交替地顺序完成，这就叫 I/O 多路复用。
注意：多路---指的是多个 socket 连接，复用---指的是复用同一个 Redis 处理线程。多路复用主要有三种技术：select，poll，epoll。epoll 是最新的也是目前最好的多路复用技术。
采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络 I/O 的时间消耗），且 Redis 在内存中操作数据的速度非常快，也就是说内存内的操作不会成为影响 Redis 性能的瓶颈，基于这两点 Redis 具有很高的吞吐量。
多路复用与阻塞IO的区别
- 阻塞 IO 模式下，若线程因 accept 事件被阻塞，发生 read 事件后，仍需等待 accept 事件执行完成后，才能去处理 read 事件
- 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行
异步IO
- 线程1调用方法后理解返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
- 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1
零拷贝 ⭐
零拷贝指的是 数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点
- 更少的用户态与内核态的切换
- 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
- 零拷贝适合小文件传输
传统 IO 问题
传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出
File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);
Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);
内部工作流如下
Java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 CPU
从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 CPU 会参与拷贝，无法利用 DMA
调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
接下来要向网卡写数据，这项能力 Java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU
可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的
用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级 数据拷贝了共 4 次
通过 DirectByteBuf
ByteBuffer.allocate(10)
底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存
ByteBuffer.allocateDirect(10)
底层对应 DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存，如下：
大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 将堆外内存映射到 JVM 内存中来直接访问使用
这块内存不受 JVM 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步 1、DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 当引用的对象 ByteBuffer 被垃圾回收以后，虚引用对象 Cleaner 就会被放入引用队列中，然后调用 Cleaner 的 clean 方法来释放直接内存
- DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少
进一步优化1
以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）
底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法，Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据
- Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
- 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，CPU 会参与拷贝
- 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU
这种方法下
- 只发生了1次用户态与内核态的切换
- 数据拷贝了 3 次
进一步优化2
linux 2.4 对上述方法再次进行了优化
- Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 CPU
- 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
- 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 CPU
整个过程仅只发生了1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次
AIO 异步 IO
AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题
- 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
- 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果
异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持
- Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
- Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势
文件 AIO
先来看看 AsynchronousFileChannel
@Slf4j
public class AioDemo1 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
try{
AsynchronousFileChannel s =
AsynchronousFileChannel.open(
Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
log.debug("begin...");
s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
log.debug("read completed...{}", result);
buffer.flip();
debug(buffer);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
log.debug("read failed...");
}
});
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("do other things...");
System.in.read();
}
}
输出
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin...
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things...
13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed...2
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 0d |a. |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
可以看到
- 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5
- 主线程并没有 IO 操作阻塞
💡 守护线程
默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行 System.in.read() 以避免守护线程意外结束
网络 AIO
public class AioServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
System.in.read();
}
private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
try {
System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
sc.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
private final AsynchronousSocketChannel sc;
public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
this.sc = sc;
}
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
try {
if (result == -1) {
closeChannel(sc);
return;
}
System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
attachment.flip();
System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
attachment.clear();
// 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件
sc.read(attachment, attachment, this);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
closeChannel(sc);
exc.printStackTrace();
}
}
private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
private final AsynchronousSocketChannel sc;
private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
this.sc = sc;
}
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
// 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容
if (attachment.hasRemaining()) {
sc.write(attachment);
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
exc.printStackTrace();
closeChannel(sc);
}
}
private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;
public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
this.ssc = ssc;
}
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
try {
System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 读事件由 ReadHandler 处理
sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
// 写事件由 WriteHandler 处理
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
// 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件
ssc.accept(null, this);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
}
}