阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO && Reactor模式
来源:互联网 发布:数据录入兼职平台 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 18:50
http://www.ivaneye.com/2016/07/23/iomodel.html
对于IO来说,我们听得比较多的是:
- BIO:阻塞IO
- NIO:非阻塞IO
- 同步IO
- 异步IO
以及其组合:
- 同步阻塞IO
- 同步非阻塞IO
- 异步阻塞IO
- 异步非阻塞IO
那么什么是阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO呢?
- 一个IO操作其实分成了两个步骤:发起IO请求(阻塞) 和 实际的IO操作(同步)
- 阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步:发起IO请求是否会被阻塞,如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO;如果不阻塞,那么就是非阻塞IO
- 同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞,如果实际的IO读写阻塞请求进程,那么就是同步IO,因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO;如果不阻塞,而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你,那么就是异步IO
举个不太恰当的例子 :比如你家网络断了,你打电话去中国电信报修!
- 你拨号—客户端连接服务器
- 电话通了—连接建立
- 你说:“我家网断了,帮我修下”—发送消息
- 说完你就在那里等,那么就是阻塞IO
- 如果正好你有事,你放下带电话,然后处理其他事情了,过一会你来问下,修好了没—那就是非阻塞IO
- 如果客服说:“马上帮你处理,你稍等”—同步IO
- 如果客服说:“马上帮你处理,好了通知你”,然后挂了电话—异步IO
下面从代码层面看看BIO与NIO的流程!
BIO
- 客户端代码
12345678910
- 服务端代码
1234567891011
- 上面的代码可以说是学习Java的Socket的入门级代码了
- 代码流程和前面的图可以一一对上
模型图如下所示:
BIO优缺点
- 优点
- 模型简单
- 编码简单
- 缺点
- 性能瓶颈低
优缺点很明显。这里主要说下缺点:主要瓶颈在线程上。每个连接都会建立一个线程。虽然线程消耗比进程小,但是一台机器实际上能建立的有效线程有限,以Java来说,1.5以后,一个线程大致消耗1M内存!且随着线程数量的增加,CPU切换线程上下文的消耗也随之增加,在高过某个阀值后,继续增加线程,性能不增反降!而同样因为一个连接就新建一个线程,所以编码模型很简单!
就性能瓶颈这一点,就确定了BIO并不适合进行高性能服务器的开发!像Tomcat这样的Web服务器,从7开始就从BIO改成了NIO,来提高服务器性能!
NIO
- NIO客户端代码(连接)
12345678
- NIO客户端代码(监听)
123456789101112131415161718192021
- NIO服务端代码(连接)
12345678
- NIO服务端代码(监听)
1234567891011121314151617181920212223
NIO模型示例如下:
- Acceptor注册Selector,监听accept事件
- 当客户端连接后,触发accept事件
- 服务器构建对应的Channel,并在其上注册Selector,监听读写事件
- 当发生读写事件后,进行相应的读写处理
NIO优缺点
- 优点
- 性能瓶颈高
- 缺点
- 模型复杂
- 编码复杂
- 需处理半包问题
NIO的优缺点和BIO就完全相反了!性能高,不用一个连接就建一个线程,可以一个线程处理所有的连接!相应的,编码就复杂很多,从上面的代码就可以明显体会到了。还有一个问题,由于是非阻塞的,应用无法知道什么时候消息读完了,就存在了半包问题!
半包问题
简单看一下下面的图就能理解半包问题了!
我们知道TCP/IP在发送消息的时候,可能会拆包(如上图1)!这就导致接收端无法知道什么时候收到的数据是一个完整的数据。例如:发送端分别发送了ABC,DEF,GHI三条信息,发送时被拆成了AB,CDRFG,H,I这四个包进行发送,接受端如何将其进行还原呢?在BIO模型中,当读不到数据后会阻塞,而NIO中不会!所以需要自行进行处理!例如,以换行符作为判断依据,或者定长消息发生,或者自定义协议!
NIO虽然性能高,但是编码复杂,且需要处理半包问题!为了方便的进行NIO开发,就有了Reactor模型!
Reactor模型
- AWT Events
Reactor模型和AWT事件模型很像,就是将消息放到了一个队列中,通过异步线程池对其进行消费!
Reactor中的组件
- Reactor:Reactor是IO事件的派发者。
- Acceptor:Acceptor接受client连接,建立对应client的Handler,并向Reactor注册此Handler。
- Handler:和一个client通讯的实体,按这样的过程实现业务的处理。一般在基本的Handler基础上还会有更进一步的层次划分, 用来抽象诸如decode,process和encoder这些过程。比如对Web Server而言,decode通常是HTTP请求的解析, process的过程会进一步涉及到Listener和Servlet的调用。业务逻辑的处理在Reactor模式里被分散的IO事件所打破, 所以Handler需要有适当的机制在所需的信息还不全(读到一半)的时候保存上下文,并在下一次IO事件到来的时候(另一半可读了)能继续中断的处理。为了简化设计,Handler通常被设计成状态机,按GoF的state pattern来实现。
对应上面的NIO代码来看:
- Reactor:相当于有分发功能的Selector
- Acceptor:NIO中建立连接的那个判断分支
- Handler:消息读写处理等操作类
Reactor从线程池和Reactor的选择上可以细分为如下几种:
Reactor单线程模型
这个模型和上面的NIO流程很类似,只是将消息相关处理独立到了Handler中去了!
虽然上面说到NIO一个线程就可以支持所有的IO处理。但是瓶颈也是显而易见的!我们看一个客户端的情况,如果这个客户端多次进行请求,如果在Handler中的处理速度较慢,那么后续的客户端请求都会被积压,导致响应变慢!所以引入了Reactor多线程模型!
Reactor多线程模型
Reactor多线程模型就是将Handler中的IO操作和非IO操作分开,操作IO的线程称为IO线程,非IO操作的线程称为工作线程!这样的话,客户端的请求会直接被丢到线程池中,客户端发送请求就不会堵塞!
但是当用户进一步增加的时候,Reactor会出现瓶颈!因为Reactor既要处理IO操作请求,又要响应连接请求!为了分担Reactor的负担,所以引入了主从Reactor模型!
主从Reactor模型
主Reactor用于响应连接请求,从Reactor用于处理IO操作请求!
Netty
Netty是一个高性能NIO框架,其是对Reactor模型的一个实现!
- Netty客户端代码
12345678910111213141516171819
- Netty Client Handler
123456789101112131415161718192021
- Netty服务端代码
123456789101112131415161718192021
- Netty Server Handler
12345678910111213141516171819202122232425
我们从Netty服务器代码来看,与Reactor模型进行对应!
- EventLoopGroup就相当于是Reactor,bossGroup对应主Reactor,workerGroup对应从Reactor
- TimeServerHandler就是Handler
- child开头的方法配置的是客户端channel,非child开头的方法配置的是服务端channel
具体Netty内容,请访问Netty官网!
Netty的问题
Netty开发中一个很明显的问题就是回调,一是打破了线性编码习惯,
二就是Callback Hell!
看下面这个例子:
123
1,2,3处代码如果是同步的,那么将按顺序执行!但是如果不是同步的呢?我还是希望2在1之后执行,3在2之后执行!怎么办呢?想想AJAX!我们需要写类似如下这样的代码!
123456789
那有没有办法解决这个问题呢?其实不难,实现一个类似Future的功能!当Client获取结果时,进行阻塞,当得到结果后再继续往下走!实现方案,一个就是使用锁了,还有一个就是使用RingBuffer。经测试,使用RingBuffer比使用锁TPS有2000左右的提高!
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