澳门新浦京app下载Java IO 入门之NIO等框架性能了解

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众所周知在近几个版本的Java中增加了一些对Java
NIO、NIO2的支持,与此同时NodeJS技术栈中最为人称道的优势之一就是其高性能IO,那么我们今天要讨论的话题就是支撑这些技术的底层技术。

nio

澳门新浦京app下载,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)。

阻塞:
ATM排队取款,你只能等待(使用阻塞IO时,Java调用会一直阻塞到读写完成才返回)。

非阻塞:
柜台取款,取个号,然后坐在椅子上做其它事,等号广播会通知你办理,没到号你就不能去,你可以不断问大堂经理排到了没有,大堂经理如果说还没到你就不能去
(使用非阻塞IO时,如果不能读写Java调用会马上返回,当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写,不断循环直到读写完成)。

开始之前先要提出的一个问题是:

一、IO NIO AIO

io、nio、aio的区别,类似于resin、apache、nginx在io处理上的区别,从多线程互不干扰的阻塞式执行(resin),到轮询式的同步非阻塞式(apache),再到异步非阻塞式(nginx)。
现在这三种io都在jdk中予以了支持。

  1. IO (BIO)
    同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,每个线程亲自处理io并且一直等待io的完成,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善。
    IO的局限:IO是面向流的,阻塞式的,串行的一个过程。对每一个客户端的socket连接,IO都需要一个线程来处理,而且在此期间,这个线程一直被占用,直到socket关闭。在这期间,tcp的连接、数据的读取、数据的返回都是被阻塞的。也就是说这期间大量的浪费了cpu的时间片和线程占用的内存资源。
    每建立一个Socket连接时,同时创建一个新线程对该Socket进行单独通信(采用阻塞的方式通信)。这种方式具有很高的响应速度,并且控制起来也很简单,在连接数较少的时候非常有效,但是如果对每一个连接都产生一个线程的无疑是对系统资源的一种浪费,如果连接数较多将会出现资源不足的情况。

  2. NIO (new IO) 从jdk1.4开始
    同步非阻塞,服务器实现模式为一个请求一个线程,每个线程亲自处理io,但有另外的线程轮询检查是否io准备完毕,不必等待io完成,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。
    **NIO则是面向缓冲区的,非阻塞式的,基于选择器的,用一个线程来轮询监控多个数据传输通道,哪个通道准备好了(即有了一组可以处理的数据),就处理哪个通道。
    **
    服务器端保存一个Socket连接列表,然后对这个列表进行轮询,如果发现某个Socket端口上有数据可读时(读就绪),则调用该socket连接的相应读操作;如果发现某个
    Socket端口上有数据可写时(写就绪),则调用该socket连接的相应写操作;如果某个端口的Socket连接已经中断,则调用相应的析构方法关闭
    该端口。这样能充分利用服务器资源,效率得到了很大提高。

  3. AIO (Asynchronous io、NIO.2) 从jdk1.7开始
    异步非阻塞,服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理,每个线程不必亲自处理io,而是委派os来处理,并且也不需要等待io完成了,如果完成后,os会通知的。
    采用linux的epoll模型。

为什么NodeJS和Java NIO2没有在更早的时间出现?

结论

在连接数不多的情况下,传统IO编写容易、方便使用。但是随着连接数的增多,问题传统IO就不行了。因为传统IO处理每个连接都要消耗一个线程,而程序的效率当线程数不多时是随着线程数的增加而增加,但是到一定的数量之后,是随着线程数的增加而减少。所以传统阻塞式IO的
瓶颈在于不能处理过多的连接。

非阻塞式IO的出现的目的就是为了解决这个瓶颈。而非阻塞式IO是怎么实现的呢?非阻塞IO处理连接的线程数和连接数没有联系,也就是说处理10000个
连接非阻塞IO不需要10000个线程,你可以用1000个也可以用2000个线程来处理。因为非阻塞IO处理连接是异步的。当某个连接发送请求到服务
器,服务器把这个连接请求当作一个请求”事件”,并把这个”事件”分配给相应的函数处理。我们可以把这个处理函数放到线程中去执行,执行完就把线程归还。
这样一个线程就可以异步的处理多个事件。而阻塞式IO的线程的大部分时间都浪费在等待请求上了。

然后NIO的非阻塞,需要一直轮询,也是一个比较耗资源的,所以出现AIO 。

答案:个人认为是底层的支撑技术还不成熟。

BIO、NIO、AIO适用场景

**
BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序直观简单易理解。**

**NIO方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局限于应用中,编程比较复杂,JDK1.4开始支持。
**

AIO方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7开始支持。

**ps:AIO、NIO是基于IO的,并不是取代IO的意思。 **

那么,底层技术指的是什么呢?对的,我想很多人已经猜到,是操作系统技术。本文提出的两个概念Java
NIO2和NodeJS无一例外都是用户态技术或者说是应用层技术,而这些应用层技术是运行于OS之上的,与此同时随着操作系统的进步,可以支撑的编程模型也更加的丰富。可以这么说,这两项技术完全是为了应用操作系统进步带来的红利而进化出来的技术。一般来说最先享受这种红利的技术一定是CC++,因为OS的进步最新提供的大部分是系统调用,而CC++是最方便应用这些系统调用的,但是同时也是最复杂的。其他平台为了也获得同样的性能,就必须不断的进化,封装,使用户可以用上这些红利,一旦那个平台停滞更新,也就是这个平台没落的时候了。对用户来说封装的越方便,对用户来说就越是友好,可能使用的人就越多。虽然很多人可以很快的写出基于这些平台的代码,但是往往不得其精髓,因为本质上还是不理解这些技术的动机和原理。下面我们讨论的这些技就是这两项技术相关的底层技术。

二、NIO的框架

IO的概念:

  1. 就IO而言:概念上有5中模型:blocking I/O,nonblocking I/O,I/O
    multiplexing (select and poll),signal driven I/O
    (SIGIO),asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)。
  2. 然后呢 不同的操作系统对上述模型支持不同:
    unix支持io多路复用,不同系统叫法不同 :freebsd里面叫 kqueue;linux
    是epoll。而windows: 2000的时候就诞生了IOCP支持最后一种异步I/O
  3. java是一种跨平台语言,为了支持异步IO,诞生了nio,Java1.4引入的NIO
    1.0是基于I/O复用的。在各个平台上会选择不同的复用方式。Linux用的epoll,BSD上用kqueue,Windows上应该是重叠I/O(肯定不是IOCP)。
  4. 基于jdk的nio ,不同公司出了一堆框架:apache mina
    ,jboss的netty,sun的grizzly。 这些都是直接封装传输层的tcp/udp。

nio直接使用比较难用,所以有了netty等针对网络io部分(tcp/udp-传输层)的封装(nio也有非网络io部分),为了使nio更易用。
**
netty等只是一个nio框架,不需要web容器的额外支持,也就是说不限定web容器。**

3个NIO框架是:

  1. Mina
    Mina(Multipurpose Infrastructure for Network Applications) 是
    Apache组织一个较新的项目,它为开发高性能和高可用性的网络应用程序提供了非常便利的框架。当前发行的
    Mina 版本2.04支持基于 JavaNIO 技术的 TCP/UDP
    应用程序开发、串口通讯程序,Mina
    所支持的功能也在进一步的扩展中。目前,正在使用Mina的应用包括:Apache
    Directory Project、AsyncWeb、AMQP(Advanced MessageQueuing
    Protocol)、RED5 Server(Macromedia? FlashMedia
    RTMP)、ObjectRADIUS、 Openfire等等。
  2. Netty
    Netty是一款异步的事件驱动的网络应用框架和工具,用于快速开发可维护的高性能、高扩展性协议服务器和客户端。也就是说,Netty是一个NIO客户端/服务器框架,支持快速、简单地开发网络应用,如协议服务器和客户端。它极大简化了网络编程,如TCP和UDP套接字服务器。
  3. Grizzly
    Grizzly是一种应用程序框架,专门解决编写成千上万用户访问服务器时候产生的各种问题。使用JAVANIO作为基础,并隐藏其编程的复杂性。容易使用的高性能的API。带来非阻塞socketd到协议处理层。利用高性能的缓冲和缓冲管理使用高性能的线程池。

不管哪一种OS设计中,下面5种IO模型都是必不可少的。

Servlet3.0 vs NIO

servlet3.0是一个规范、或者协议,可以用IO实现,也可以用NIO实现,而NIO则只是一种技术实现。一个是架构,一个是具体技术。

  • 相同:
    都提供了异步功能。
  • 不同:
    • jdk的nio直接使用比较难用,所以有了netty这些针对网络io部分(tcp/udp-传输层)的封装(nio也有非网络io部分),为了使nio更易用而已。
  • servlet3.0是另外一个东西,不是对io的封装,而是javaee6众多规范中的一个。但凡javaee6的实现(或者像tomcat这种web容
    器部分的实现),都会支持servlet3.0,servlet理论上可以支持多种应用层协议(不单单只是http),而servlet3.0以后提供的
    异步特性与javase提供的nio或aio无直接关系,就是使用bio一样可以实现servlet3.0中提供的异步特性。

可以说NIO的异步是直接处理的更底层的IO,而Servlet3.0的异步指的是上层的请求响应的异步
转自:http://qindongliang.iteye.com/blog/2017278

    1. blocking I/O
    1. nonblocking I/O
    1. I/O multiplexing (select, poll and epoll)
    1. signal driven I/O (SIGIO)
    1. asynchronous I/O (the POSIX aio_ functions)

1. blocking I/O

如图所示,这种IO模型的优点是编程简单,也是OS最早支持的IO模型之一,缺点是系统调用阻塞用户动态线程执行,从而造成CPU时间浪费,IO效率低。

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2. nonblocking I/O

如图所示,这种IO模型的一个改进是IO是非阻塞了,但是需要长轮询,同样浪费CPU时钟周期。

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3. I/O multiplexing (select, poll and epoll)

如图所示,这种IO模型是当今OS提供的最稳定的IO模型,大部分主流的应用都是基于此种IO模型构建的,比如NodeJS,但是这些平台往往在这种模型之上增加一层封装来直接支持AIO。

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4. signal driven I/O (SIGIO)

如图所示,资料记载这种IO模型由于对比模型3没有性能优势,同时由于系统支持不稳定,很少为设计者采用。

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5. asynchronous I/O (the POSIX aio_ functions)

如图所示,此种IO模型是最完美的AIO,编程模型也最简单,但是能够完美支持者个模型的OS很少,网上资料显示Linux正在做这方面的努力,一旦OS在这个方面上取得进展,编程框架,平台,编程模型可能还是需要有很大程度的简化。

虽然这种模型很少有OS的支持,但是并不是说现在就没有这种AIO模型,很多框架做了这方面的工作,在用户态模拟了AIO,使用户可以更多的关注业务逻辑代码。

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6. 同步异步,阻塞和非阻塞

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的。一直等到数据读完再返回的是同步,直接返回的是异步。阻塞和非阻塞是对进程、线程而言的,阻塞方式下读取或者写入线程一直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入线程立即返回一个状态值。

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