JavaIO

BIO

概述

同步并阻塞(传统阻塞型)，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

适用场景

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，但程序简单易理解。

基本介绍

Java BIO 就是传统的 java io 编程，其相关的类和接口在 java.io

BIO(blocking I/O) ： 同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)

工作机制

服务器端启动一个 ServerSocket，注册端口，调用accpet方法监听客户端的Socket连接。

客户端启动 Socket 对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户 建立一个线程与之通讯

小结

1.每个Socket接收到，都会创建一个线程，线程的竞争、切换上下文影响性能；

2.每个线程都会占用栈空间和CPU资源；

3.并不是每个socket都进行IO操作，无意义的线程处理；

4.客户端的并发访问增加时。服务端将呈现1:1的线程开销，访问量越大，系统将发生线程栈溢出，线程创建失败，最终导致进程宕机或者僵死，从而不能对外提供服务。

NIO

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，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 请求就进行处理

基本介绍

Java NIO（New IO）也有人称之为 java non-blocking IO是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其他事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。

NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。

NIO 有三大核心部分：Channel( 通道) ，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)

Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 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。

通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 1000 个请求过来,根据实际情况，可以分配20 或者 80个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 1000 个。

NIO 三大核心原理

NIO 有三大核心部分：Channel( 通道) ，Buffer( 缓冲区), Selector( 选择器)

Buffer缓冲区

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作，Buffer API更加容易操作和管理。

Channel（通道）

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的（input或output)读写通常是单向的。 通道可以非阻塞读取和写入通道，通道可以支持读取或写入缓冲区，也支持异步地读写。

Selector选择器

Selector是 一个Java NIO组件，可以能够检查一个或多个 NIO 通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接，提高效率

每个 channel 都会对应一个 Buffer

一个线程对应Selector ， 一个Selector对应多个 channel(连接)

程序切换到哪个 channel 是由事件决定的

Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换

Buffer 就是一个内存块 ， 底层是一个数组

数据的读取写入是通过 Buffer完成的 , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写。

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、 套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取 用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲 区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。简而言之，Channel 负责传输， Buffer 负责存取数据

缓冲区（Buffer）

一个用于特定基本数据类 型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区 都是 Buffer 抽象类的子类.。Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行 交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的

缓冲区的基本属性

• 容量 (capacity) ：作为一个内存块，Buffer具有一定的固定大小，也称为"容量"，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。

• 限制 (limit)：表示缓冲区中可以操作数据的大小（limit 后数据不能进行读写）。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。 写入模式，限制等于buffer的容量。读取模式下，limit等于写入的数据量。

• 位置 (position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为 负，并且不能大于其限制

• 标记 (mark)与重置 (reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法 指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这 个 position. 标记、位置、限制、容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

直接与非直接缓冲区

什么是直接内存与非直接内存

根据官方文档的描述：

byte byffer可以是两种类型，一种是基于直接内存（也就是非堆内存）；另一种是非直接内存（也就是堆内存）。对于直接内存来说，JVM将会在IO操作上具有更高的性能，因为它直接作用于本地系统的IO操作。而非直接内存，也就是堆内存中的数据，如果要作IO操作，会先从本进程内存复制到直接内存，再利用本地IO处理。

从数据流的角度，非直接内存是下面这样的作用链：

本地IO-->直接内存-->非直接内存-->直接内存-->本地IO

而直接内存是：

本地IO-->直接内存-->本地IO

很明显，在做IO处理时，比如网络发送大量数据时，直接内存会具有更高的效率。直接内存使用allocateDirect创建，但是它比申请普通的堆内存需要耗费更高的性能。不过，这部分的数据是在JVM之外的，因此它不会占用应用的内存。所以呢，当你有很大的数据要缓存，并且它的生命周期又很长，那么就比较适合使用直接内存。只是一般来说，如果不是能带来很明显的性能提升，还是推荐直接使用堆内存。字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。

使用场景

• 1 有很大的数据需要存储，它的生命周期又很长

• 2 适合频繁的IO操作，比如网络并发场景

通道（Channe）

概述

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义 的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。 Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与 Buffer 进行交互。

1、 NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

• 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写

• 通道可以实现异步读写数据

• 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:

2、BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel) 是双向的，可以读操作，也可以写操作。

3、Channel 在 NIO 中是一个接口

选择器（Selector）

概述

选择器（Selector） 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心

• Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)

• Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管 理多个通道，也就是管理多个连接和请求。

• 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都 创建一个线程，不用去维护多个线程

• 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

NIO 和 BIO 的比较  

• BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多

• BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的

• BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道 读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

NIO	BIO
面向缓冲区（Buffer）	面向流（Stream）
非阻塞（Non Blocking IO）	阻塞IO(Blocking IO)
选择器（Selectors）

AIO

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，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

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。

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,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

总结

BIO、NIO、AIO：

• 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。Netty!