Java三种IO模型原理实例详解

Java中IO的模型分为三种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。

BIO【同步阻塞】

在JDK1.4出来之前，我们建立网络连接的时候采用BIO模式，需要先在服务端启动一个ServerSocket，然后在客户端启动Socket来对服务端进行通信，默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程相应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求，如果有的话，客户端会线程会等待请求结束后才继续执行。

NIO【同步非阻塞】

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题： 在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。 也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

BIO与NIO一个比较重要的不同，是我们使用BIO的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而NIO则是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程。

NIO的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

HTTP/1.1出现后，有了Http长连接，这样除了超时和指明特定关闭的http header外，这个链接是一直打开的状态的，这样在NIO处理中可以进一步的进化，在后端资源中可以实现资源池或者队列，当请求来的话，开启的线程把请求和请求数据传送给后端资源池或者队列里面就返回，并且在全局的地方保持住这个现场(哪个连接的哪个请求等)，这样前面的线程还是可以去接受其他的请求，而后端的应用的处理只需要执行队列里面的就可以了，这样请求处理和后端应用是异步的.当后端处理完，到全局地方得到现场，产生响应，这个就实现了异步处理。

AIO【异步非阻塞】

与NIO不同，当进行读写操作时，只须直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。 即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。

  • BIO是一个连接一个线程。
  • NIO是一个请求一个线程。
  • AIO是一个有效请求一个线程。

先来个例子理解一下概念

以银行取款为例：

  • **同步 ： **自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步IO时，Java自己处理IO读写）；
  • **异步 ： **委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS需要支持异步IO操作API）；
  • 阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；
  • 非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

Java对BIO、NIO、AIO的支持：

  • **Java BIO ： **同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。
  • Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。
  • Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

  • BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
  • NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
  • AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。
  • 另外，I/O属于底层操作，需要操作系统支持，并发也需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。
  • 在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

在比较这两个模式之前，我们首先的搞明白几个概念，什么是阻塞和非阻塞，什么是同步和异步,同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的，同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪，而异步是指用户进程触发IO操作以后便开始做自己的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。

而阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式，阻塞方式下读取或者写入函数将一直等待，而非阻塞方式下，读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

一般来说I/O模型可以分为：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞

  • 同步阻塞IO：在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！
  • 同步非阻塞IO:在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。
  • 异步阻塞IO：此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！
  • 异步非阻塞IO:在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。

赞 (0)

相关推荐

  • 基于Java写minio客户端实现上传下载文件

    前言: 确保已经安装了minio的服务端 代码: pom.xml <dependency> <groupId>io.minio</groupId> <artifactId>minio</artifactId> <version>7.0.2</version> </dependency> application.yml server: port:90 minio: url: http://10.69.94.140

  • AndroidStudio插件GsonFormat之Json快速转换JavaBean教程

    安装 方法一: 1.Android studio File->Settings..->Plugins–>Browse repositores..搜索GsonFormat 2.安装插件,重启android studio 方法二: 1.下载GsonFormat.jar ; 2.Android studio File->Settings..->Plugins –>install plugin from disk..导入下载GsonFormat.jar 3.重启android

  • Springboot项目javax.validation使用方法详解

    javax.validation 是基于JSR-303标准开发出来的,使用注解方式实现,及其方便,但是这只是一个接口,没有具体实现. Hibernate-Validator是一个hibernate独立的包,可以直接引用,他实现了javax.validation同时有做了扩展,比较强大.SpringBoot在内部集成了hibernate-validation,可以直接使用. 常用注解: 代码 说明 @Null 被注解的元素必须为null @NotNull 被注解的元素必须不为null @Asser

  • Java8通过Function获取字段名的步骤

    摘要:Java8通过Function获取字段名,解决硬编码,效果类似于mybatis-plus的LambdaQueryWrapper. 本文总共三个步骤: 1.使Function获取序列化能力: 2.通过SFunction获取字段名: 3.建一些业务代码进行测试: 使Function获取序列化能力 import java.io.Serializable; import java.util.function.Function; /** * 使Function获取序列化能力 */ @Function

  • 详解java.lang.NumberFormatException错误及解决办法

    前言: 在做后台时用的jsp开发,在页面向controller传参时用String接收的参数,但是数据库实体中jies接收该参数时是int类型,做了一下强制转换,但是没有判断去空格,结果页面加载时就报500错误了. 错误截图: 在报错后注意分析报错信息,如上图提示在ShopController.java 的92行出错了,那么错误就很容易定位了,去看那里的代码. 错误关键字 java.lang.NumberFormatException 这句话明确告诉了我们是数字格式异常,接着后面有 null 提

  • java.lang.NullPointerException出现的几种原因及解决方案

    java.lang.NullPointerException出现的几种原因: 1.字符串变量未初始化 2.接口类型的对象没有用具体的类初始化,比如: Map map // 会报错 Map map = new Map(); //则不会报错了 3.当一个对象的值为空时,你没有判断为空的情况. 4.字符串与文字的比较,文字可以是一个字符串或Enum的元素,如下会出现异常 String str = null; if(str.equals("Test")){ //这里的代码将不会被触发,因为会抛

  • Java14发布了,再也不怕NullPointerException了

    2020年3月17日发布,Java正式发布了JDK 14 ,目前已经可以开放下载.在JDK 14中,共有16个新特性,本文主要来介绍其中的一个特性:JEP 358: Helpful NullPointerExceptions null何错之有? 对于Java程序员来说,null是令人头痛的东西.时常会受到空指针异常(NullPointerException)的骚扰.相信很多程序员都特别害怕出现程序中出现NPE,因为这种异常往往伴随着代码的非预期运行. 在编程语言中,空引用(Null Refere

  • Java三种IO模型原理实例详解

    Java中IO的模型分为三种,同步阻塞的BIO.同步非阻塞的NIO.异步非阻塞的AIO. BIO[同步阻塞] 在JDK1.4出来之前,我们建立网络连接的时候采用BIO模式,需要先在服务端启动一个ServerSocket,然后在客户端启动Socket来对服务端进行通信,默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求,而客户端发送请求后,先咨询服务端是否有线程相应,如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求,如果有的话,客户端会线程会等待请求结束后才继续执行. NIO[同步非阻塞] NIO本身是基于事

  • Java包装类的缓存机制原理实例详解

    这篇文章主要介绍了Java包装类的缓存机制原理实例详解,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下 java 包装类的缓存机制,是在Java 5中引入的一个有助于节省内存.提高性能的功能,只有在自动装箱时有效 Integer包装类 举个栗子: Integer a = 127; Integer b = 127; System.out.println(a == b); 这段代码输出的结果为true 使用自动装箱将基本类型转为封装类对象这个过程其实

  • get post jsonp三种数据交互形式实例详解

    一.get请求 1.引入 vue.js 和 vue-resource.js , 准备一个按钮 <input type="button" value="按钮" @click="get()"/> //点击按钮请求数据函数get() 2.准备一个txt文件 welcome vue 3.编写js代码 <script> window.onload=function(){ new Vue({ el:'body', //主体为body,

  • get  post jsonp三种数据交互形式实例详解

    一.get请求 1.引入 vue.js 和 vue-resource.js , 准备一个按钮 <input type="button" value="按钮" @click="get()"/> //点击按钮请求数据函数get() 2.准备一个txt文件 welcome vue 3.编写js代码 <script> window.onload=function(){ new Vue({ el:'body', //主体为body,

  • Java CAS底层实现原理实例详解

    Java CAS底层实现原理实例详解

    这篇文章主要介绍了Java CAS底层实现原理实例详解,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下 一.CAS(compareAndSwap)的概念 CAS,全称Compare And Swap(比较与交换),解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制. CAS(V, A, B),V为内存地址.A为预期原值,B为新值.如果内存地址的值与预期原值相匹配,那么将该位置值更新为新值.否则,说明已经被其他线程更新,处理器不做任何操作:无论哪种情

  • Java 两种延时thread和timer详解及实例代码

    Java 两种延时thread和timer详解及实例代码 在Java中有时候需要使程序暂停一点时间,称为延时.普通延时用Thread.sleep(int)方法,这很简单.它将当前线程挂起指定的毫秒数.如 try { Thread.currentThread().sleep(1000);//毫秒 } catch(Exception e){} 在这里需要解释一下线程沉睡的时间.sleep()方法并不能够让程序"严格"的沉睡指定的时间.例如当使用5000作为sleep()方法的参数时,线 程

  • Java中IO流 字节流实例详解

    Java中IO流 字节流实例详解 IO流(输入流.输出流),又分为字节流.字符流. 流是磁盘或其它外围设备中存储的数据的源点或终点. 输入流:程序从输入流读取数据源.数据源包括外界(键盘.文件.网络-),即是将数据源读入到程序的通信通道. 输出流:程序向输出流写入数据.将程序中的数据输出到外界(显示器.打印机.文件.网络-)的通信通道. 字节流 1.InputStream.OutputStream InputStream抽象了应用程序读取数据的方式 OutputStream抽象了应用程序写出数据

  • Java三种移位运算符原理解析

    这篇文章主要介绍了Java三种移位运算符原理解析,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下 java移位运算符不外乎就这三种:<<(左移).>>(带符号右移)和>>>(无符号右移). 1. 左移运算符 左移运算符<<使指定值的所有位都左移规定的次数. 1)它的通用格式如下所示: value << num num 指定要移位值value 移动的位数. 左移的规则只记住一点:丢弃最高位(符

  • java导出Excel通用方法的实例详解

    java导出Excel通用方法的实例详解 Java导出Excel通用方法,只需要一个list 集合.通用方法改进之处踊跃提出 package oa.common.utils; import java.io.OutputStream; import java.util.List; import javax.servlet.http.HttpServletResponse; import org.apache.struts2.ServletActionContext; import java.lan

  • Java编程思想对象的容纳实例详解

    Java提供了容纳对象(或者对象的句柄)的多种方式,接下来我们具体看看都有哪些方式. 有两方面的问题将数组与其他集合类型区分开来:效率和类型.对于Java来说,为保存和访问一系列对象(实际是对象的句柄)数组,最有效的方法莫过于数组.数组实际代表一个简单的线性序列,它使得元素的访问速度非常快,但我们却要为这种速度付出代价:创建一个数组对象时,它的大小是固定的,而且不可在那个数组对象的"存在时间"内发生改变.可创建特定大小的一个数组,然后假如用光了存储空间,就再创建一个新数组,将所有句柄从

随机推荐