nio与bio

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-03-17 15:01 306阅读 0赞

## nio与bio ##

**阻塞io（bio）使用线程池问题**  
1.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。  
2.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，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。  
3.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。  
4.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，一旦线程数量高但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。

**常见I/O模型对比**  
所有的系统I/O都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。

需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的，是在“空等”；而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的，真正在"干活"，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21pbmd3dWxpcG8_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
nio指non-blocking，io非阻塞io  
aio指async io，异步io  
传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。  
对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。  
最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。

**BIO与NIO对比**  
block IO与Non-block IO  
1）区别

IO模型 IO NIO  
方式 从硬盘到内存 从内存到硬盘  
通信 面向流（乡村公路） 面向缓存（高速公路，多路复用技术）  
处理 阻塞IO（多线程） 非阻塞IO（反应堆Reactor）  
触发 无 选择器（轮询机制）  
2）面向流与面向缓冲  
Java NIO和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。Java IO面向流意味着毎次从流中读一个成多个字节，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教据，需要先将它缓存到一个缓冲区。Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，霱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裾。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。

3）阻塞与非阻塞  
Java 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。 Java 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）。

4）选择器（Selector)  
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择"通道：这些通里已经有可以处理的褕入，或者选择已准备写入的通道。这选怿机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

5）NIO和BIO读取文件  
BIO读取文件：链接  
BIO从一个阻塞的流中一行一行的读取数据

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NIO读取文件：链接  
通道是数据的载体，buffer是存储数据的地方，线程每次从buffer检查数据通知给通道

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6）处理数据的线程数  
NIO：一个线程管理多个连接  
BIO：一个线程管理一个连接

**NIO工作原理**

主要几个部分是Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

Channel提供从文件、网络读取数据的通道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写  
Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。服务端接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。  
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。

其中，一个线程管理一个Selector，而一个Selector管理多个Channel，被管理的Channel需要在该Selector上注册自己感兴趣的事件，如Accept，Read，Write等。

每个Channel对应一个缓冲区Buffer，每次Channel中有数据可以读写的时候，就读写到缓冲区中。然后程序再对缓冲区进行操作。

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，才会调用相应的方法或者线程来进行读写、操作，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，并且避免了多个空闲连接的多线程之间的上下文切换导致的开销。

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