Java核心技术面试精讲（第十一讲）| Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

r囧r小猫 2022-11-03 05:24 42阅读 0赞

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

今天我要问你的问题是，Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何实现多路复用？

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### 典型回答 ###

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。

### 考点分析 ###

我上面列出的回答是基于一种常见分类方式，即所谓的 BIO、NIO、NIO 2（AIO）。

在实际面试中，从传统 IO 到 NIO、NIO 2，其中有很多地方可以扩展开来，考察点涉及方方面面，比如：

*  基础 API 功能与设计， InputStream/OutputStream 和 Reader/Writer 的关系和区别。
 *  NIO、NIO 2 的基本组成。
 *  给定场景，分别用不同模型实现，分析 BIO、NIO 等模式的设计和实现原理。
 *  NIO 提供的高性能数据操作方式是基于什么原理，如何使用？
 *  或者，从开发者的角度来看，你觉得 NIO 自身实现存在哪些问题？有什么改进的想法吗？

IO 的内容比较多，专栏一讲很难能够说清楚。IO 不仅仅是多路复用，NIO 2 也不仅仅是异步 IO，尤其是数据操作部分，会在专栏下一讲详细分析。

### 知识扩展 ###

首先，需要澄清一些基本概念：

*  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。
 *  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。

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。

对于 java.io，我们都非常熟悉，我这里就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[教程][Link 1]等途径完成。总体上，我认为你至少需要理解一下内容。

*  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。
 *  参考下面这张类图，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。利用专栏前面的内容提到的 Cleaner 或 finalize 机制作为资源释放的最后把关，也是必要的。

下面是我整理的一个简化版的类图，阐述了日常开发应用较多的类型和结构关系。

![2428af1b2b4767505f578daddec9bf47.png][]

1. Java NIO 概览

首先，熟悉一下 NIO 的主要组成部分：

*  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。
 *  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。
 *  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，例如，在最新的代码库里，相关实现如下：

Linux 上依赖于[epoll][]，Windows 上 NIO2（AIO）模式则是依赖于[iocp][]。

*  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!"));

2. 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。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。

public class DemoServer extends Thread {
        private ServerSocket serverSocket;
        public int getPort() {
            return  serverSocket.getLocalPort();
        }
        public void run() {
            try {
                serverSocket = new ServerSocket(0);
                while (true) {
                    Socket socket = serverSocket.accept();
                    RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                    requestHandler.start();
                }
            } 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();
            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();
            }
        }
     }

其实现要点是：

*  服务器端启动 ServerSocket，端口 0 表示自动绑定一个空闲端口。
 *  调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接。
 *  利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取、打印。
 *  当连接建立后，启动一个单独线程负责回复客户端请求。

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。

serverSocket = new ServerSocket(0);
    executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
     while (true) {
        Socket socket = serverSocket.accept();
        RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
        executor.execute(requestHandler);
    }

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。

![c0bf44d6d5e9220c93b891a6ca9831cd.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。

public class NIOServer extends Thread {
        public void run() {
            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.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!"));
            }
        }
       // 省略了与前面类似的main
    }

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：

*  首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色。
 *  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。
 *  Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒。
 *  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。

![2f25b6d3894d2f3957f60200addd47d7.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，我会在专栏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。

今天我初步对 Java 提供的 IO 机制进行了介绍，概要地分析了传统同步 IO 和 NIO 的主要组成，并根据典型场景，通过不同的 IO 模式进行了实现与拆解。专栏下一讲，我还将继续分析 Java IO 的主题。

### 一课一练 ###

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？留一道思考题给你，NIO 多路复用的局限性是什么呢？你遇到过相关的问题吗？

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### 其他经典回答 ###

以下来自网友王睿的回答：

举个收快递的例子不知道理解是否正确。

BIO，快递员通知你有一份快递会在今天送到某某地方，你需要在某某地方一致等待快递员的到来。

NIO，快递员通知你有一份快递会送到你公司的前台，你需要每隔一段时间去前台询问是否有你的快递。

AIO，快递员通知你有一份快递会送到你公司的前台，并且前台收到后会给你打电话通知你过来取。

以下来自网友雷霹雳的爸爸的回答：

批评NIO确实要小心，我觉得主要是三方面，首先是如果是从写BIO过来的同学，需要有一个巨大的观念上的转变，要清楚网络就是并非时刻可读可写，我们用NIO就是在认真的面对这个问题，别把channel当流往死里用，没读出来写不进去的时候，就是该考虑让度线程资源了，第二点是NIO在不同的平台上的实现方式是不一样的，如果你工作用电脑是win，生产是linux，那么建议直接在linux上调试和测试，第三点，概念上的，理解了会在各方面都有益处，NIO在IO操作本身上还是阻塞的，也就是他还是同步IO，AIO读写行为的回调才是异步IO，而这个真正实现，还是看系统底层的，写完之后，我觉得我这一二三有点凑数的嫌疑。

以下来自网友的yxw回答：

java nio的selector主要的问题是效率，当并发连接数达到数万甚至数十万的时候 ，单线程的selector会是一个瓶颈；另一个问题就是再线上运行过程中经常出现cpu占用100%的情况，原因也是由于selector依赖的操作系统底层机制bug 导致的selector假死，需要程序重建selector来解决，这个问题再jdk中似乎并没有很好的解决，netty成为了线上更加可靠的网络框架。不知理解的是否正确，请老师指教。

作者回复: 嗯，有局限性；那个epoll的bug应该在8里修了，netty的改进不止那些，它为了性能改了很多底层，后面会介绍，好多算是hack；另外nio的目的是通用场景的基础API，和终端应用有个距离，核心类库很多都是如此定位，netty这种开源框架更贴近用户场景

[Link 1]: https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/io/streams.html
[2428af1b2b4767505f578daddec9bf47.png]: /images/20221024/6e10f2f1e5364599bc4dd8b80cf034fa.png
[epoll]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/linux/classes/sun/nio/ch/EPollSelectorImpl.java
[iocp]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/windows/classes/sun/nio/ch/Iocp.java
[c0bf44d6d5e9220c93b891a6ca9831cd.png]: /images/20221024/f39691bfce3a496fb52aaf68be5ac699.png
[2f25b6d3894d2f3957f60200addd47d7.png]: /images/20221024/6b83ea1177464599bbd2924a64067a21.png