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最传统的一种 IO 模型即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出 IO 请求之后内核会去查看数据是否就绪如果没有就绪就会等待数据就绪而用户线程就会处于阻塞状态用户线程交出 CPU。当数据就绪之后内核会将数据拷贝到用户线程并返回结果给用户线程用户线程才解除 block 状态。典型的阻塞 IO 模型的例子为data socket.read();如果数据没有就绪就会一直阻塞在 read 方法。
2.非阻塞 IO 模型
当用户线程发起一个 read 操作后并不需要等待而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error 时它就知道数据还没有准备好于是它可以再次发送 read 操作。一旦内核中的数据准备好了并且又再次收到了用户线程的请求那么它马上就将数据拷贝到了用户线程然后返回。所以事实上在非阻塞 IO 模型中用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪也就说非阻塞 IO不会交出 CPU而会一直占用 CPU。典型的非阻塞 IO 模型一般如下
while(true){data socket.read();if (data ! error) {处理数据break;}
} 但是对于非阻塞 IO 就有一个非常严重的问题在 while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪这样会导致 CPU 占用率非常高因此一般情况下很少使用 while 循环这种方式来读取数据。
3.多路复用 IO 模型
多路复用 IO 模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO 实际上就是多路复用 IO。在多路复用 IO模型中会有一个线程不断去轮询多个 socket 的状态只有当 socket 真正有读写事件时才真正调用实际的 IO 读写操作。因为在多路复用 IO 模型中只需要使用一个线程就可以管理多个socket系统不需要建立新的进程或者线程也不必维护这些线程和进程并且只有在真正有socket 读写事件进行时才会使用 IO 资源所以它大大减少了资源占用。在 Java NIO 中是通过 selector.select()去查询每个通道是否有到达事件如果没有事件则一直阻塞在那里因此这种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用 IO 模式通过一个线程就可以管理多个 socket只有当socket 真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此多路复用 IO 比较适合连接数比较多的情况。
另外多路复用 IO 为何比非阻塞 IO 模型的效率高是因为在非阻塞 IO 中不断地询问 socket 状态时通过用户线程去进行的而在多路复用 IO 中轮询每个 socket 状态是内核在进行的这个效率要比用户线程要高的多。
不过要注意的是多路复用 IO 模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用 IO 模型来说一旦事件响应体很大那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理并且会影响新的事件轮询。
4.信号驱动 IO 模型
在信号驱动 IO 模型中当用户线程发起一个 IO 请求操作会给对应的 socket 注册一个信号函数然后用户线程会继续执行当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程用户线程接收到信号之后便在信号函数中调用 IO 读写操作来进行实际的 IO 请求操作。
2.8.5. 异步 IO 模型
异步 IO 模型才是最理想的 IO 模型在异步 IO 模型中当用户线程发起 read 操作之后立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面从内核的角度当它受到一个 asynchronous read 之后它会立刻返回说明 read 请求已经成功发起了因此不会对用户线程产生任何 block。然后内核会等待数据准备完成然后将数据拷贝到用户线程当这一切都完成之后内核会给用户线程发送一个信号告诉它 read 操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个 IO 操作是如何进行的只需要先发起一个请求当接收内核返回的成功信号时表示 IO 操作已经完成可以直接去使用数据了。
也就说在异步 IO 模型中IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程这两个阶段都是由内核自动完成然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用 IO 函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的在信号驱动模型中当用户线程接收到信号表示数据已经就绪然后需要用户线程调用 IO 函数进行实际的读写操作而在异步 IO 模型中收到信号表示 IO 操作已经完成不需要再在用户线程中调用 IO 函数进行实际的读写操作。
注意异步 IO 是需要操作系统的底层支持在 Java 7 中提供了 Asynchronous IO。
6.JAVA IO 包 7.JAVA NIO
NIO 主要有三大核心部分Channel(通道)Buffer(缓冲区), Selector。传统 IO 基于字节流和字符流进行操作而 NIO 基于 Channel 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(选择区)用于监听多个通道的事件比如连接打开数据到达。因此单个线程可以监听多个数据通道。 NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别是IO 是面向流的NIO 是面向缓冲区的。
7.1.NIO 的缓冲区
Java IO 面向流意味着每次从流中读一个或多个字节直至读取所有字节它们没有被缓存在任何地方。此外它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO 的缓冲导向方法不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且需确保当更多的数据读入缓冲区时不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
7.2.NIO 的非阻塞
IO 的各种流是阻塞的。这意味着当一个线程调用 read() 或 write()时该线程被阻塞直到有一些数据被读取或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO 的非阻塞模式使一个线程从某通道发送请求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。 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它通道上执行 IO 操作所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道channel。 8.Channel
首先说一下 Channel国内大多翻译成“通道”。Channel 和 IO 中的 Stream(流)是差不多一个等级的。只不过 Stream 是单向的譬如InputStream, OutputStream而 Channel 是双向的既可以用来进行读操作又可以用来进行写操作。
NIO 中的 Channel 的主要实现有
FileChannelDatagramChannelSocketChannelServerSocketChannel
这里看名字就可以猜出个所以然来分别可以对应文件 IO、UDP 和 TCPServer 和 Client。
下面演示的案例基本上就是围绕这 4 个类型的 Channel 进行陈述的。
9.Buffer
Buffer故名思意缓冲区实际上是一个容器是一个连续数组。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。 上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时必须先将数据存入 Buffer 中然后将 Buffer 中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过 Channel 将数据读入到 Buffer 中然后再从 Buffer 中取出数据来处理。
在 NIO 中Buffer 是一个顶层父类它是一个抽象类常用的 Buffer 的子类有ByteBuffer、IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer
10.Selector
Selector 类是 NIO 的核心类Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生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响应处理。这样一来只是用一个单线程就可以管理多个通道也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时才会调用函数来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并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
