java NIO BIO和AIO

借鉴于:https://zhuanlan.zhihu.com/p/23488863

NIO:NEW IO或not blocking IO,非阻塞的io模型,也是i/o多路复用的基础;

传统的io为bio(blocking i/o),阻塞io;使用bio的经典方式如下:

{

 ExecutorService executor = Excutors.newFixedThreadPollExecutor(100);//线程池

 

 ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();

 serverSocket.bind(8088);

 while(!Thread.currentThread.isInturrupted()){//主线程死循环等待新连接到来

 Socket socket = serverSocket.accept();

 executor.submit(new ConnectIOnHandler(socket));//为新的连接创建新的线程

}

 

class ConnectIOnHandler extends Thread{

    private Socket socket;

    public ConnectIOnHandler(Socket socket){

       this.socket = socket;

    }

    public void run(){

      while(!Thread.currentThread.isInturrupted()&&!socket.isClosed()){死循环处理读写事件

          String someThing = socket.read()....//读取数据

          if(someThing!=null){

             ......//处理数据

             socket.write()....//写数据

          }

       }

    }

}

经典的每连接每线程的模型，之所以使用多线程，主要原因在于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的，当一个连接在处理I/O的时候，系统是阻塞的，如果是单线程的话必然就挂死在那里；但CPU是被释放出来的，开启多线程，就可以让CPU去处理更多的事情。其实这也是所有使用多线程的本质：

1)利用多核。

2)当I/O阻塞系统，但CPU空闲的时候，可以利用多线程使用CPU资源。

现在的多线程一般都使用线程池，可以让线程的创建和回收成本相对较低。在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。

 

不过，这个模型最本质的问题在于，严重依赖于线程。但线程是很"贵"的资源，主要表现在：

a线程的创建和销毁成本很高，在Linux这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数。

b线程本身占用较大内存，像Java的线程栈，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。

c线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高（超过20%以上)，导致系统几乎陷入不可用的状态。

d容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。

所以，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的。随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行，百万级长连接日趋普遍，此时，必然需要一种更高效的I/O处理模型。

 

所以出现了not blocking i/o用于解决上面的问题

Nio特点:socket主要的读写注册和接收函数,在等待阶段都是非阻塞的,真正的I/O操作同步阻塞的.

 

BIO\NIO\AIO的比较:

所有的系统I/O分为两个部分:等待就绪和操作.如读函数,分为等待系统可读和真正的读;但等待就绪不使用CPU,但真正的读写操作的是使用cpu的,当然操作执行期间也是一种阻塞.

以socket.read()为例:

对于BIO:socket,read()时,如果TCP RecvBuffer里面没有数据,函数会一直阻塞,直到收到数据,返回读到的数据.

NIO:如果TCP RecvBuffer里面没有数据,则直接返回0,永远不会阻塞;如果有数据,则直接把数据从网卡读到内存,此时进程需要间断查询数据是否已经读完..

AIO:不但等待就绪是非阻塞的,就连数据从网卡读到内存的过程也是异步的,此时不再需要进程去查询是否已经读完,而是直接可以干别的事,数据已经读完时会主动告知进程

 

对NIO的使用:

NIO的读写函数可以立刻返回，这就给了我们不开线程利用CPU的最好机会：如果一个连接不能读写（socket.read()返回0或者socket.write()返回0），我们可以把这件事记下来，记录的方式通常是在Selector上注册标记位，然后切换到其它就绪的连接（channel）继续进行读写。

  interface ChannelHandler{

      void channelReadable(Channel channel);

      void channelWritable(Channel channel);

   }

   class Channel{

     Socket socket;

     Event event;//读，写或者连接

   }

 

   //IO线程主循环:

   class IoThread extends Thread{

   public void run(){

   Channel channel;

   while(channel=Selector.select()){//选择就绪的事件和对应的连接

      if(channel.event==accept){

         registerNewChannelHandler(channel);//如果是新连接，则注册一个新的读写处理器

      }

      if(channel.event==write){

         getChannelHandler(channel).channelWritable(channel);//如果可以写，则执行写事件

      }

      if(channel.event==read){

          getChannelHandler(channel).channelReadable(channel);//如果可以读，则执行读事件

      }

    }

   }

   Map<Channel，ChannelHandler> handlerMap;//所有channel的对应事件处理器

  }

这个程序很简短，也是最简单的Reactor模式：注册所有感兴趣的事件处理器，单线程轮询选择就绪事件，执行事件处理器。

借鉴于:https://zhuanlan.zhihu.com/p/23488863