描述IO,我们需要从两个层面:

  1. 编程语言
  2. 实现原理
  3. 底层基础

从编程语言层面

BIO | NIO | AIO 以Java的角度,理解,linux c里也有AIO的概念(库),本文只从Java角度入手。

  • BIO,同步阻塞式IO,简单理解:一个连接一个线程
  • NIO,同步非阻塞IO,简单理解:一个请求一个线程
  • AIO,异步非阻塞IO,简单理解:一个有效请求一个线程

BIO

在JDK1.4之前,用Java编写网络请求,都是建立一个ServerSocket,然后,客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理,如果没有,要么等待,要么被拒绝。即:一个连接,要求Server对应一个处理线程。

NIO

在Java里的由来,在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O,我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API,因此,也叫New I/O,这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成:缓冲区(Buffers)、通道(Channels)和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候,需要区分,说的是New I/O还是非阻塞IO,New I/O是Java的包,NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

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。

AIO

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。


实现原理

说道实现原理,还要从操作系统的IO模型上了解

按照《Unix网络编程》的划分,IO模型可以分为:阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO,按照POSIX标准来划分只分为两类:同步IO和异步IO。如何区分呢?首先一个IO操作其实分成了两个步骤:发起IO请求和实际的IO操作,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。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。

收到操作系统的IO模型,又不得不提select/poll/epoll/iocp,关于这四个的理解,不多做解释,自己还没理解到位。

可以理解的说明是:在Linux 2.6以后,java NIO的实现,是通过epoll来实现的,这点可以通过jdk的源代码发现。而AIO,在windows上是通过IOCP实现的,在linux上还是通过epoll来实现的。

这里强调一点:AIO,这是I/O处理模式,而epoll等都是实现AIO的一种编程模型;换句话说,AIO是一种接口标准,各家操作系统可以实现也可以不实现。在不同操作系统上在高并发情况下最好都采用操作系统推荐的方式。Linux上还没有真正实现网络方式的AIO。

底层基础

说到底层,要说Linux系统编程,这里自己也不熟悉,有待后来人补充了。 
只笼统的说一个:AIO实现

在windows上,AIO的实现是通过IOCP来完成的,看JDK的源代码,可以发现

WindowsAsynchronousSocketChannelImpl

看实现接口:

implements Iocp.OverlappedChannel

再看实现方法:里面的read0/write0方法是native方法,调用的jvm底层实现,虚拟机技术不熟悉,不献丑了。

在linux上,AIO的实现是通过epoll来完成的,看JDK源码,可以发现,实现源码是:

UnixAsynchronousSocketChannelImpl

看实现接口:

implements Port.PollableChannel

这是与windows最大的区别,poll的实现,在linux2.6后,默认使用epoll。


最后,几篇解释的不错的文章:

BIO NIO AIO

NIO.2 入门,第 1 部分: 异步通道 API

使用异步 I/O 大大提高应用程序的性能

 

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