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彻底搞懂Java的网络IO

IO是Input/Output的缩写。 Unix网络编程中有五种IO模型：

blocking IO（阻塞IO）
nonblocking IO（非阻塞IO）
IO multiplexing（多路复用IO）
signal driven IO（信号驱动IO）
asynchronous IO（异步IO）

背景

java.io包基于流模型实现，提供File抽象、输入输出流等IO的功能。交互方式是同步、阻塞的方式，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞。

java.io包的好处是代码比较简单、直观，缺点则是IO效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。

java.net下面提供的部分网络API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也时常被归类到同步阻塞IO类库，因为网络通信同样是IO行为。

在Java 1.4中引入了NIO框架(java.nio 包)，提供了Channel、Selector、Buffer等新的抽象，可以构建多路复用IO程序，同时提供更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。
在Java7中，NIO有了进一步的改进，也就是NIO2，引入了异步非阻塞IO方式，也被称为AIO(Asynchronous IO)，异步IO操作基于事件和回调机制。

基本概念

在学习Java的IO流之前，需要了解同步异步、阻塞非阻塞的基本概念。

同步与异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。

同步指的是用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否就绪。例如：自己上街买衣服，自己亲自干这件事，别的事干不了。
异步指的是用户进程触发IO操作以后便开始做其他的事情，而当IO操作已经完成的时候会得到IO完成的通知。例如：告诉朋友自己合适衣服的尺寸、颜色、款式，委托朋友去买，然后自己可以去干别的事。同时，你还需要告诉朋友你家衣柜在哪，方便朋友买完之后，直接将衣服放到你的衣柜。（使用异步I/O时，Java将I/O读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS）。

阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞是针对进程在访问数据的时候，根据IO操作的就绪状态来采取的不同方式。

阻塞指的是当试图对该文件描述符进行读写时，如果当时没有东西可读，或暂时不可写，程序就进入等待状态，直到有东西可读或可写为止。去地铁站充值，发现这个时候充值员碰巧不在，然后我们就在原地等待，一直等到充值员回来为止。
非阻塞指的是如果没有东西可读，或不可写，读写函数马上返回，而不会等待。在银行里办业务时，领取一张小票，之后我们可以玩手机，或与别人聊聊天，当轮到我们时，银行的喇叭会通知，这时候我们就可以去办业务了。

注意，这里办业务的时候，还是需要我们也参与其中的。这和异步是完全不同的，是很多网上都在误导人的地方，后面会澄清这块误解。

I/O模型分类

应用程序向操作系统发出IO请求：应用程序发出IO请求给操作系统内核，操作系统内核需要等待数据就绪，这里的数据可能来自别的应用程序或者网络。一般来说，一个IO分为两个阶段：

等待数据：数据可能来自其他应用程序或者网络，如果没有数据，应用程序就阻塞等待。
拷贝数据：将就绪的数据拷贝到应用程序工作区。

在Linux系统中，操作系统的IO操作是一个系统调用recvfrom()，即一个系统调用recvfrom包含两步，等待数据就绪和拷贝数据。

同步阻塞IO

在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当IO操作完成之后，用户进程才能运行。 JAVA传统的BIO属于此种方式。

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同步非阻塞IO

在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。 JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

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多路复用IO

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但如果换成select，epoll，大概就都能明白了，有时也称这种IO方式为事件驱动IO。 select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

有关epoll的详细解释，欢迎点击查看

多路复用中，通过select函数，可以同时监听多个IO请求的内核操作，只要有任意一个IO的内核操作就绪，都可以通知select函数返回，再进行系统调用recvfrom()完成IO操作。

这个过程应用程序就可以同时监听多个IO请求，这比起基于多线程阻塞式IO要先进得多，因为服务器只需要少数线程就可以进行大量的客户端通信。

上面描述的select函数，是NIO下的selector的成员函数。

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信号驱动式IO模型

在unix系统中，应用程序发起IO请求时，可以给IO请求注册一个信号函数，请求立即返回，操作系统底层则处于等待状态（等待数据就绪），直到数据就绪，然后通过信号通知主调程序，主调程序才去调用系统函数recvfrom()完成IO操作。

信号驱动也是一种非阻塞式的IO模型，比起上面的非阻塞式IO模型，信号驱动式IO模型不需要轮询检查底层IO数据是否就绪，而是被动接收信号，然后再调用recvfrom执行IO操作。

比起多路复用IO模型来说，信号驱动IO模型针对的是一个IO的完成过程，而多路复用IO模型针对的是多个IO同时进行时候的场景。信号驱动式IO模型用下图表示，

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异步IO

在此种模式下，将整个IO操作（包括等待数据就绪，复制数据到应用程序工作空间）全都交给操作系统完成。数据就绪后操作系统将数据拷贝进应用程序运行空间之后，操作系统再通知应用程序，这个过程中应用程序不需要阻塞。

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I/O模型对比

举个现实生活中的例子：

如果你想吃一份卤肉饭，

同步阻塞：你到饭馆点餐，然后在那儿等着，还要一直喊：好了没啊！
同步非阻塞：在饭馆点完餐，就去遛狗了。不过遛一会儿，就回饭馆喊一声：好了没啊！
多路复用：遛狗的时候，接到饭馆电话，说饭做好了，让您亲自去拿。
异步非阻塞：饭馆打电话说，我们知道您的位置，一会儿给你送过来，安心遛狗就可以了。

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澄清很多人的误区

网络上一些热度很高的博客给初学者造成了很多的误解，所以这里做一个澄清。

阻塞、非阻塞、多路IO复用，都是同步IO，异步必定是非阻塞的，所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。真正的异步IO需要CPU的深度参与。换句话说，只有用户线程在操作IO的时候根本不去考虑IO的执行，全部都交给CPU去完成，而只需要等待一个完成信号的时候，才是真正的异步IO。所以，fork子线程去轮询、死循环或者使用select、poll、epoll，都不是异步。

BIO

在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞。

传统的服务器端同步阻塞I/O处理（也就是BIO，Blocking I/O）的经典编程模型。

public class IOServer {

public static void main(String[] args) throws Exception {

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000);

// (1) 接收新连接线程

new Thread(() -> {

while (true) {

try {

// (1) 阻塞方法获取新的连接

Socket socket = serverSocket.accept();

// (2) 每一个新的连接都创建一个线程，负责读取数据

new Thread(() -> {

try {

int len;

byte[] data = new byte[1024];

InputStream inputStream = socket.getInputStream();

// (3) 按字节流方式读取数据

while ((len = inputStream.read(data)) != -1) {

System.out.println(new String(data, 0, len));

}

} catch (IOException e) {

}

}).start();

} catch (IOException e) {

}

}).start();

}

这是一个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。

这个模型严重依赖于线程，但线程是很”贵”的资源，主要表现在：

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。
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，占用的内存将非常惊人。
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。
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，一旦线程数量高而且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，NIO技术应运而生。

NIO

基于事件驱动思想，采用reactor（反应器）模式。当发起IO请求时，应用程序是非阻塞的。当SOCKET有流可读或写的时候，由操作系统通知应用程序，应用程序再将流读取到缓冲区或者写入系统。

有关NIO的详解，点击博主之前的博客，进行学习。

彻底搞懂NIO效率高的原理
NIO效率高的原理之零拷贝与直接内存映射

AIO

同样基于事件驱动的思想，通常采用Proactor(前摄器模式)实现。在进行I/O操作时，直接调用API的read或write，这两种方法均为异步。对于读操作，操作系统将数据读到缓冲区，并通知应用程序，对于写操作，操作系统将write方法传递的流写入并主动通知应用程序。它节省了NIO中select函数遍历事件通知队列的代价(红黑树遍历)。

增加的新的类如下:

AsynchronousChannel：支持异步通道，包括服务端AsynchronousServerSocketChannel和普通AsynchronousSocketChannel等实现。
CompletionHandler：用户处理器。定义了一个用户处理就绪事件的接口，由用户自己实现，异步io的数据就绪后回调该处理器消费或处理数据。
AsynchronousChannelGroup：一个用于资源共享的异步通道集合。处理IO事件和分配给CompletionHandler

另外，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

AIO的实施需充分调用OS参与，IO需要操作系统支持、并发也同样需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。因此在实际中AIO使用不是很广泛。

代码就放弃展示了，毕竟没使用过，而且有netty的广泛使用，AIO并没有太多使用的地方

Netty使用NIO放弃使用AIO的原因

关于AIO，有个很热门的话题，就是Netty并没有使用AIO，只使用了NIO。

至于原因，先看下作者原话：

Not faster than NIO (epoll) on unix systems (which is true)
There is no daragram suppport
Unnecessary threading model (too much abstraction without usage)

扩展一下如下：

Netty不看重Windows上的使用（这也不只是netty这一个开源框架的事）。在Linux2.6之后系统上，AIO的底层实现仍使用EPOLL，由于实现方式的不成熟，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易深度优化
Netty整体架构是reactor模型, 而AIO是proactor模型, 混合在一起会非常混乱，把AIO也改造成reactor模型看起来是把epoll绕个弯又绕回来
AIO有个重要的缺点是接收数据需要预先分配缓存，而NIO只需要在接收时才分配缓存, 所以对连接数量非常大但流量小的情况, 造成了大量的内存浪费。