Java 提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

墨蓝 2024-04-06 12:23 40阅读 0赞

**目录**

1、Java 提供的 IO 方式介绍

2、阻塞和同步的基本概念

3、传统的 java.io/BIO

4、Java NIO (同步非阻塞 IO)

--------------------

IO 一直是软件开发中的核心部分之一，伴随着海量数据增长和分布式系统的发展，IO 扩展能力愈发重要。幸运的是，Java 平台 IO 机制经过不断完善，虽然在某些方面仍有不足，但已经在实践中证明了其构建高扩展性应用的能力。

**那么，Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何实现多路复用？**

#### 1、**Java 提供的 IO 方式介绍** ####

// java.io(同步阻塞) \\ NIO(同步非阻塞) \\ NIO2(异步非阻塞)

Java IO 方式有很多种，基于不同的 IO 抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。

第一，传统的 java.io 包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些 IO 功能，比如 File 抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。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。很多时候，人们也把 java.net 下面提供的部分网络 API，比如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也归类到同步阻塞 IO 类库，因为网络通信同样是 IO 行为。

第二，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，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。

第三，在 Java 7 中，NIO 有了进一步的改进，也就是 NIO 2，引入了异步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。异步 IO 操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

#### 2、阻塞和同步的基本概念 ####

**区分同步或异步（synchronous/asynchronous）**。简单来说，同步是一种可靠的有序运行机制，当我们进行同步操作时，后续的任务是等待当前调用返回，才会进行下一步；而异步则相反，其他任务不需要等待当前调用返回，通常依靠事件、回调等机制来实现任务间次序关系。// 等待和非等待，如何通过程序实现异步？

**区分阻塞与非阻塞（blocking/non-blocking）**。在进行阻塞操作时，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续，比如 ServerSocket 新连接建立完毕，或数据读取、写入操作完成；而非阻塞则是不管 IO 操作是否结束，直接返回，相应操作在后台继续处理。// 区别在于是否可以同时处理多个任务

不能一概而论认为同步或阻塞就是低效，具体还要看应用和系统特征。

#### 3、传统的 java.io/BIO ####

对于 java.io，我们都非常熟悉，这里从总体上进行一下总结，如果需要学习更加具体的操作，你可以通过以下教程等途径完成。// 通过缓存块提高效率

[https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/io/streams.html][https_docs.oracle.com_javase_tutorial_essential_io_streams.html]

IO 不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如 Socket 通信，都是典型的 IO 操作目标。

输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。

而 Reader/Writer 则是用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer 相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁。

BufferedOutputStream 等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高 IO 处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了 flush。

很多 IO 工具类都实现了 Closeable 接口，因为需要进行资源的释放。比如，打开 FileInputStream，它就会获取相应的文件描述符（FileDescriptor），需要利用 try-with-resources、 try-finally 等机制保证 FileInputStream 被明确关闭，进而相应文件描述符也会失效，否则将导致资源无法被释放。

#### 4、Java NIO (同步非阻塞 IO) ####

NIO 的主要组成部分：

1.  **Buffer**，高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的 Buffer 实现。
2.  **Channel**，类似在 Linux 之类操作系统上看到的文件描述符，是 NIO 中被用来支持批量式 IO 操作的一种抽象。File 或者 Socket，通常被认为是比较高层次的抽象，而 Channel 则是更加操作系统底层的一种抽象，这也使得 NIO 得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，我们可以通过 Socket 获取 Channel，反之亦然。
3.  **Selector**，是 NIO 实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在 Selector 上的多个 Channel 中，是否有 Channel 处于就绪状态，进而实现了单线程对多 Channel 的高效管理。Selector 同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别。
4.  **Charset**，提供 Unicode 字符串定义，NIO 也提供了相应的编解码器等，例如，通过下面的方式进行字符串到 ByteBuffer 的转换：

Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));

**NIO 能解决什么问题？**

下面我通过一个典型场景，来分析为什么需要 NIO，为什么需要多路复用。// 多路复用，避免频繁的上下文切换

设想，我们需要实现一个服务器应用，只简单要求能够同时服务多个客户端请求即可。使用 java.io 和 java.net 中的同步、阻塞式 API，可以简单实现。

import java.io.BufferedReader;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStreamReader;
    import java.io.PrintWriter;
    import java.net.InetAddress;
    import java.net.ServerSocket;
    import java.net.Socket;
    
    public class DemoServer extends Thread {
    
        private ServerSocket serverSocket;
    
        public int getPort() {
            return serverSocket.getLocalPort();
        }
    
        public void run() {
            try {
                // 服务器端启动 ServerSocket，端口 0 表示自动绑定一个空闲端口。
                serverSocket = new ServerSocket(0);
                while (true) {
                    // 调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接。
                    Socket socket = serverSocket.accept();
                    // 利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取、打印
                    RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                    // 当连接建立后，启动一个单独线程负责回复客户端请求。
                    requestHandler.start(); // 创建线程
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                if (serverSocket != null) {
                    try {
                        serverSocket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    ;
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            DemoServer server = new DemoServer();
            server.start(); // 创建线程
            try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
                BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
                bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
            }
        }
    }
    
    // 简化实现，不做读取，直接发送字符串
    class RequestHandler extends Thread {
    
        private Socket socket;
    
        RequestHandler(Socket socket) {
            this.socket = socket;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
                out.println("Hello world!");
                out.flush();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

这样，一个简单的 Socket 服务器就被实现出来了。

思考一下，这个解决方案在扩展性方面，可能存在什么潜在问题呢？大家知道 Java 语言目前的线程实现是比较重量级的，启动或者销毁一个线程是有明显开销的，每个线程都有单独的线程栈等结构，需要占用非常明显的内存，所以，每一个 Client 启动一个线程似乎都有些浪费。

那么，稍微修正一下这个问题，我们**引入线程池机制来避免浪费**。

public void run() {
            try {
    //            // 服务器端启动 ServerSocket，端口 0 表示自动绑定一个空闲端口。
    //            serverSocket = new ServerSocket(0);
    //            while (true) {
    //                // 调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接。
    //                Socket socket = serverSocket.accept();
    //                // 利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取、打印
    //                RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
    //                // 当连接建立后，启动一个单独线程负责回复客户端请求。
    //                requestHandler.start(); // 创建线程
    //            }
                serverSocket = new ServerSocket(0);
                ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
                while (true) {
                    Socket socket = serverSocket.accept();
                    RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                    executor.execute(requestHandler);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // ...
            }
        }

这样做似乎好了很多，通过一个固定大小的线程池，来负责管理工作线程，避免频繁创建、销毁线程的开销，这是我们构建并发服务的典型方式。这种工作方式，可以参考下图来理解。

![ad7ef7bb186045988bc9abd1ce6cca86.png][]

如果连接数并不是非常多，只有最多几百个连接的普通应用，这种模式往往可以工作的很好。但是，如果连接数量急剧上升，这种实现方式就无法很好地工作了，因为线程上下文切换开销会在高并发时变得很明显，这是同步阻塞方式的低扩展性劣势。

NIO 引入的多路复用机制，提供了另外一种思路，请参考我下面提供的新的版本。

import java.io.BufferedReader;
    import java.io.IOException;
    import java.io.InputStreamReader;
    import java.net.InetAddress;
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.net.Socket;
    import java.nio.channels.SelectionKey;
    import java.nio.channels.Selector;
    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
    import java.nio.channels.SocketChannel;
    import java.nio.charset.Charset;
    import java.util.Iterator;
    import java.util.Set;
    
    public class NIOServer extends Thread {
    
        public void run() {
            // 首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色
            try (Selector selector = Selector.open();
                ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建Selector和Channel
                serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
                serverSocket.configureBlocking(false);
                // 注册到Selector，并说明关注点
                serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                while (true) {
                    // Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒。
                    selector.select();// 阻塞等待就绪的Channel，这是关键点之一
                    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        // 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
                        sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                        iter.remove();
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
            try (SocketChannel client = server.accept();) {
                client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            NIOServer server = new NIOServer();
            server.start(); // 创建线程
            try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), 8888)) {
                BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
                bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
            }
        }
    }

这个非常精简的样例掀开了 NIO 多路复用的面纱，我们可以分析下主要步骤和元素：

1.  首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色。
2.  然后，创建一个 ServerSocketChannel，并且向 Selector 注册，通过指定 SelectionKey.OP\_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求。注意，为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出 IllegalBlockingModeException 异常。
3.  Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒。
4.  在 sayHelloWorld 方法中，通过 SocketChannel 和 Buffer 进行数据操作，在本例中是发送了一段字符串。

可以看到，在前面两个样例中，IO 都是同步阻塞模式，所以需要多线程以实现多任务处理。而 NIO 则是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的 Channel，来决定做什么，仅仅 select 阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。下面这张图对这种实现思路进行了形象地说明。

![d322f78c333f4df99dbe4619b51d1e2e.png][]

在 Java 7 引入的 NIO 2 中，又增添了一种额外的异步 IO 模式，利用事件和回调，处理 Accept、Read 等操作。 AIO 实现看起来是类似这样子：

AsynchronousServerSocketChannel serverSock = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(sockAddr);
                serverSock.accept(serverSock, new CompletionHandler<>() { //为异步操作指定CompletionHandler回调函数
                    @Override
                    public void completed(AsynchronousSocketChannel sockChannel, AsynchronousServerSocketChannel serverSock) {
                        serverSock.accept(serverSock, this);
                        // 另外一个 write（sock，CompletionHandler{}）
                        sayHelloWorld(sockChannel, Charset.defaultCharset().encode
                            ("Hello World!"));
                    }
                    // 省略其他路径处理方法...
                });

鉴于其编程要素（如 Future、CompletionHandler 等），我们还没有进行准备工作，为避免理解困难，我会在后面相关概念补充后的再进行介绍，尤其是 Reactor、Proactor 模式等方面将在 Netty 主题一起分析，这里我先进行概念性的对比：

*  基本抽象很相似，AsynchronousServerSocketChannel 对应于上面例子中的 ServerSocketChannel；AsynchronousSocketChannel 则对应 SocketChannel。
 *  业务逻辑的关键在于，通过指定 CompletionHandler 回调接口，在 accept/read/write 等关键节点，通过事件机制调用，这是非常不同的一种编程思路。

[https_docs.oracle.com_javase_tutorial_essential_io_streams.html]: https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/io/streams.html
[ad7ef7bb186045988bc9abd1ce6cca86.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/3249cb7d2e74460c8bf7ef851bb05e95.png
[d322f78c333f4df99dbe4619b51d1e2e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/1058209d508044b39fe2364ab17e87bc.png

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