NIO与传统IO的区别

标签: nio 传统 io | 发表时间:2014-05-05 00:57 | 作者:shimiso
出处:http://blog.csdn.net

感性认识:

 

传统的socket IO中,需要为每个连接创建一个线程,当并发的连接数量非常巨大时,线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大。使用NIO,不再需要为每个线程创建单独的线程,可以用一个含有限数量线程的线程池,甚至一个线程来为任意数量的连接服务。由于线程数量小于连接数量,所以每个线程进行IO操作时就不能阻塞,如果阻塞的话,有些连接就得不到处理,NIO提供了这种非阻塞的能力。

 

小量的线程如何同时为大量连接服务呢,答案就是就绪选择。这就好比到餐厅吃饭,每来一桌客人,都有一个服务员专门为你服务,从你到餐厅到结帐走人,这样方式的好处是服务质量好,一对一的服务,VIP啊,可是缺点也很明显,成本高,如果餐厅生意好,同时来100桌客人,就需要100个服务员,那老板发工资的时候得心痛死了,这就是传统的一个连接一个线程的方式。

 

老板是什么人啊,精着呢。这老板就得捉摸怎么能用10个服务员同时为100桌客人服务呢,老板就发现,服务员在为客人服务的过程中并不是一直都忙着,客人点完菜,上完菜,吃着的这段时间,服务员就闲下来了,可是这个服务员还是被这桌客人占用着,不能为别的客人服务,用华为领导的话说,就是工作不饱满。那怎么把这段闲着的时间利用起来呢。这餐厅老板就想了一个办法,让一个服务员(前台)专门负责收集客人的需求,登记下来,比如有客人进来了、客人点菜了,客人要结帐了,都先记录下来按顺序排好。每个服务员到这里领一个需求,比如点菜,就拿着菜单帮客人点菜去了。点好菜以后,服务员马上回来,领取下一个需求,继续为别人客人服务去了。这种方式服务质量就不如一对一的服务了,当客人数据很多的时候可能需要等待。但好处也很明显,由于在客人正吃饭着的时候服务员不用闲着了,服务员这个时间内可以为其他客人服务了,原来10个服务员最多同时为10桌客人服务,现在可能为50桌,60客人服务了。

 

这种服务方式跟传统的区别有两个:

1、增加了一个角色,要有一个专门负责收集客人需求的人。NIO里对应的就是Selector。

2、由阻塞服务方式改为非阻塞服务了,客人吃着的时候服务员不用一直侯在客人旁边了。传统的IO操作,比如read(),当没有数据可读的时候,线程一直阻塞被占用,直到数据到来。NIO中没有数据可读时,read()会立即返回0,线程不会阻塞。

 

NIO中,客户端创建一个连接后,先要将连接注册到Selector,相当于客人进入餐厅后,告诉前台你要用餐,前台会告诉你你的桌号是几号,然后你就可能到那张桌子坐下了,SelectionKey就是桌号。当某一桌需要服务时,前台就记录哪一桌需要什么服务,比如1号桌要点菜,2号桌要结帐,服务员从前台取一条记录,根据记录提供服务,完了再来取下一条。这样服务的时间就被最有效的利用起来了。

 

具体分析: 

一.java NIO 和阻塞I/O的区别 

1. 阻塞I/O通信模型 

假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解,我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来时(或超时)才会返回;同样,在调用ServerSocket.accept()方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下:

 

 

如果你细细分析,一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型,我总结了它的两点缺点:
1. 当客户端多时,会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间

2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换,且大部分上下文切换可能是无意义的。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2.  java NIO原理及通信模型 

Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新I/O”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:

1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。 
2. 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。 
3. 线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。 

阅读过一些资料之后,下面贴出我理解的java NIO的工作原理图:

 

 

(注:每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。)

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,这种通信模型是怎么实现的呢?呵呵,我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道(channel)进行数据传输,而不是单向的流(stream),在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件:

 

事件名 对应值
服务端接收客户端连接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件 SelectionKey.OP_READ(1)
写事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)

 

 

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象,我们称之为selector,该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例,如果服务端的selector上注册了读事件,某时刻客户端给服务端发送了一些数据,阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据,而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector,如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达,则处理这些事件,如果没有感兴趣的事件到达,则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图:

 

 

二.java NIO服务端和客户端代码实现 

为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。

服务端:

 

Java代码  
  1. package cn.nio;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  9. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  10. import java.util.Iterator;  
  11.   
  12. /** 
  13.  * NIO服务端 
  14.  * @author 小路 
  15.  */  
  16. public class NIOServer {  
  17.     //通道管理器  
  18.     private Selector selector;  
  19.   
  20.     /** 
  21.      * 获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作 
  22.      * @param port  绑定的端口号 
  23.      * @throws IOException 
  24.      */  
  25.     public void initServer(int port) throws IOException {  
  26.         // 获得一个ServerSocket通道  
  27.         ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
  29.         serverChannel.configureBlocking(false);  
  30.         // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口  
  31.         serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));  
  32.         // 获得一个通道管理器  
  33.         this.selector = Selector.open();  
  34.         //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后,  
  35.         //当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。  
  36.         serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);  
  37.     }  
  38.   
  39.     /** 
  40.      * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 
  41.      * @throws IOException 
  42.      */  
  43.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  44.     public void listen() throws IOException {  
  45.         System.out.println("服务端启动成功!");  
  46.         // 轮询访问selector  
  47.         while (true) {  
  48.             //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞  
  49.             selector.select();  
  50.             // 获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件  
  51.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  52.             while (ite.hasNext()) {  
  53.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  54.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
  55.                 ite.remove();  
  56.                 // 客户端请求连接事件  
  57.                 if (key.isAcceptable()) {  
  58.                     ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key  
  59.                             .channel();  
  60.                     // 获得和客户端连接的通道  
  61.                     SocketChannel channel = server.accept();  
  62.                     // 设置成非阻塞  
  63.                     channel.configureBlocking(false);  
  64.   
  65.                     //在这里可以给客户端发送信息哦  
  66.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向客户端发送了一条信息").getBytes()));  
  67.                     //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。  
  68.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  69.                       
  70.                     // 获得了可读的事件  
  71.                 } else if (key.isReadable()) {  
  72.                         read(key);  
  73.                 }  
  74.   
  75.             }  
  76.   
  77.         }  
  78.     }  
  79.     /** 
  80.      * 处理读取客户端发来的信息 的事件 
  81.      * @param key 
  82.      * @throws IOException  
  83.      */  
  84.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  85.         // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道  
  86.         SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();  
  87.         // 创建读取的缓冲区  
  88.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  
  89.         channel.read(buffer);  
  90.         byte[] data = buffer.array();  
  91.         String msg = new String(data).trim();  
  92.         System.out.println("服务端收到信息:"+msg);  
  93.         ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());  
  94.         channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端  
  95.     }  
  96.       
  97.     /** 
  98.      * 启动服务端测试 
  99.      * @throws IOException  
  100.      */  
  101.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  102.         NIOServer server = new NIOServer();  
  103.         server.initServer(8000);  
  104.         server.listen();  
  105.     }  
  106.   
  107. }  

 

 

客户端:

 

Java代码  
  1. package cn.nio;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.net.InetSocketAddress;  
  5. import java.nio.ByteBuffer;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  9. import java.util.Iterator;  
  10.   
  11. /** 
  12.  * NIO客户端 
  13.  * @author 小路 
  14.  */  
  15. public class NIOClient {  
  16.     //通道管理器  
  17.     private Selector selector;  
  18.   
  19.     /** 
  20.      * 获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作 
  21.      * @param ip 连接的服务器的ip 
  22.      * @param port  连接的服务器的端口号          
  23.      * @throws IOException 
  24.      */  
  25.     public void initClient(String ip,int port) throws IOException {  
  26.         // 获得一个Socket通道  
  27.         SocketChannel channel = SocketChannel.open();  
  28.         // 设置通道为非阻塞  
  29.         channel.configureBlocking(false);  
  30.         // 获得一个通道管理器  
  31.         this.selector = Selector.open();  
  32.           
  33.         // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接,需要在listen()方法中调  
  34.         //用channel.finishConnect();才能完成连接  
  35.         channel.connect(new InetSocketAddress(ip,port));  
  36.         //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。  
  37.         channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);  
  38.     }  
  39.   
  40.     /** 
  41.      * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理 
  42.      * @throws IOException 
  43.      */  
  44.     @SuppressWarnings("unchecked")  
  45.     public void listen() throws IOException {  
  46.         // 轮询访问selector  
  47.         while (true) {  
  48.             selector.select();  
  49.             // 获得selector中选中的项的迭代器  
  50.             Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();  
  51.             while (ite.hasNext()) {  
  52.                 SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();  
  53.                 // 删除已选的key,以防重复处理  
  54.                 ite.remove();  
  55.                 // 连接事件发生  
  56.                 if (key.isConnectable()) {  
  57.                     SocketChannel channel = (SocketChannel) key  
  58.                             .channel();  
  59.                     // 如果正在连接,则完成连接  
  60.                     if(channel.isConnectionPending()){  
  61.                         channel.finishConnect();  
  62.                           
  63.                     }  
  64.                     // 设置成非阻塞  
  65.                     channel.configureBlocking(false);  
  66.   
  67.                     //在这里可以给服务端发送信息哦  
  68.                     channel.write(ByteBuffer.wrap(new String("向服务端发送了一条信息").getBytes()));  
  69.                     //在和服务端连接成功之后,为了可以接收到服务端的信息,需要给通道设置读的权限。  
  70.                     channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);  
  71.                       
  72.                     // 获得了可读的事件  
  73.                 } else if (key.isReadable()) {  
  74.                         read(key);  
  75.                 }  
  76.   
  77.             }  
  78.   
  79.         }  
  80.     }  
  81.     /** 
  82.      * 处理读取服务端发来的信息 的事件 
  83.      * @param key 
  84.      * @throws IOException  
  85.      */  
  86.     public void read(SelectionKey key) throws IOException{  
  87.         //和服务端的read方法一样  
  88.     }  
  89.       
  90.       
  91.     /** 
  92.      * 启动客户端测试 
  93.      * @throws IOException  
  94.      */  
  95.     public static void main(String[] args) throws IOException {  
  96.         NIOClient client = new NIOClient();  
  97.         client.initClient("localhost",8000);  
  98.         client.listen();  
  99.     }  
  100.   
  101. }  

 

 

 

作者:shimiso 发表于2014-5-4 16:57:33 原文链接
阅读:0 评论:0 查看评论

相关 [nio 传统 io] 推荐:

NIO与传统IO的区别

- - CSDN博客推荐文章
传统的socket IO中,需要为每个连接创建一个线程,当并发的连接数量非常巨大时,线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大. 使用NIO,不再需要为每个线程创建单独的线程,可以用一个含有限数量线程的线程池,甚至一个线程来为任意数量的连接服务. 由于线程数量小于连接数量,所以每个线程进行IO操作时就不能阻塞,如果阻塞的话,有些连接就得不到处理,NIO提供了这种非阻塞的能力.

java nio和io的比较

- - 互联网 - ITeye博客
第一部分:简单介绍NIO.     服务器在合理时间内处理大量客户机的请求的能力取决于服务器使用I/O流的效率,同时为成百上千的客户提供服务的服务器必须能并发的使用I/O服务.     用Java语言写的服务器,由于其线程与客户机之比几乎是一比一,因而易受到大量线程开销的影响,其结果是即导致性能问题,又缺乏伸缩性.

Java BIO、NIO、AIO

- - zzm
先来个例子理解一下概念,以银行取款为例:. 同步 : 自己亲自出马持银行卡到银行取钱(使用同步IO时,Java自己处理IO读写). 异步 : 委托一小弟拿银行卡到银行取钱,然后给你(使用异步IO时,Java将IO读写委托给OS处理,需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码),OS需要支持异步IO操作API).

Java NIO服务器实例

- - ImportNew
我一直想学习如何用Java写一个 非阻塞IO服务器,但无法从网上找到一个满足要求的服务器. 我找到了 这个示例,但仍然没能解决我的问题. 还可以选择 Apache MINA框架. 但我的要求相对简单,MINA对我来说还稍微有点复杂. 所以在MINA和一些教程(参见 这篇和 这篇)的帮助下,我自己写了一个非阻塞IO服务器.

Java NIO 系列教程

- - 编程语言 - ITeye博客
Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式:. Channels and Buffers(通道和缓冲区):标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)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. Asynchronous IO(异步IO):Java NIO可以让你异步的使用IO,例如:当线程从通道读取数据到缓冲区时,线程还是可以进行其他事情.

物理IO与逻辑IO

- - 操作系统 - ITeye博客
IO性能对于一个系统的影响是至关重要的. 一个系统经过多项优化以后,瓶颈往往落在数据库;而数据库经过多种优化以后,瓶颈最终会落到IO. 而IO性能的发展,明显落后于CPU的发展. Memchached也好,NoSql也好,这些流行技术的背后都在直接或者间接地回避IO瓶颈,从而提高系统性能. 上图层次比较多,但总的就是三部分.

Java NIO编程的技巧和陷阱

- 小丑鱼 - 淘宝JAVA中间件团队博客
去年做的分享,一直上传slideshare失败,今天又试了下,成功了. 这个主题主要介绍Java NIO编程的技巧和陷阱,解读了一些NIO框架的源码,以及编写高性能NIO网络框架所需要注意的技巧和缺陷. 去年写了篇blog提供了pdf版本的下载,看这里.

Grizzly 2.2发布,开源Java NIO框架

- - ITeye资讯频道
Grizzly框架近日 发布了2.2版本,该版本带来了相当多新特性与改进,而且加入了最新WebSocket规范的实现. Grizzly是一个应用程序框架,专门用于解决编写成千上万用户访问服务器时候产生的各种问题. Grizzly框架诞生于GlassFish项目,能够帮助开发人员利用Java NIO API构建可扩展、高性能、健壮的服务器,编写出可伸缩的服务器端应用.

攻破JAVA NIO技术壁垒

- - CSDN博客推荐文章
现在使用NIO的场景越来越多,很多网上的技术框架或多或少的使用NIO技术,譬如Tomcat,Jetty. 学习和掌握NIO技术已经不是一个JAVA攻城狮的加分技能,而是一个必备技能. 再者,现在互联网的面试中上点level的都会涉及一下NIO或者AIO的问题(AIO下次再讲述,本篇主要讲述NIO),掌握好NIO也能帮助你获得一份较好的offer.

linux异步IO浅析

- Sepher - kouu's home
知道异步IO已经很久了,但是直到最近,才真正用它来解决一下实际问题(在一个CPU密集型的应用中,有一些需要处理的数据可能放在磁盘上. 预先知道这些数据的位置,所以预先发起异步IO读请求. 等到真正需要用到这些数据的时候,再等待异步IO完成. 使用了异步IO,在发起IO请求到实际使用数据这段时间内,程序还可以继续做其他事情).