BIO与NIO、AIO的区别

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿
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IO的方式通常分为几种,同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。

一、同步阻塞的BIO

在JDK1.4之前,我们建立网络连接的时候采用BIO模式,需要先在服务端启动一个serverSocket,然后在客户端启动socket来对服务端进行通信,默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求,而客户端发送请求后,先咨询服务端是否有线程响应,如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求,如果有的话,客户端线程会等待请求结束后才继续执行。

BIO与NIO、AIO的区别

二、同步非阻塞的NIO

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的,其主要想解决的是BIO的大并发问题,在使用同步I/O的网络应用中,如果要同时处理多个客户端请求,或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯,就必须使用多线程来处理。也就是说,将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求,但同时又带来另外一个问题。由于每创建一个线程,就要为这个线程分配一定的内存空间,而且操作系统本身对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多,服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求,甚至服务器可能会因此而瘫痪。

NIO基于Reactor,当socket有流可读或可写入socket时,操作系统会相应的通知引用程序进行处理,应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。也就是说,这个时候,已经不是一个连接就要对应一个处理线程了,而是有效的请求,对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作线程来处理的。

BIO和NIO一个比较重要的不同,是我们使用BIO的时候往往会引入多线程,每个连接一个单独的线程;而NIO则是使用单线程或者使用少量线程,每个连接公用一个线程。

 BIO与NIO、AIO的区别

三、异步非阻塞AIO 

BIO与NIO、AIO的区别

1、异步非阻塞AIO 

与NIO不同,当进行读写操作时,只需直接调用API的read或write方法即可。这两种方法均为异步的,对于读操作而言,当有流可读取时,操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区,并通知应用程序;对于写操作而言,当操作系统将write方法传递的流写入完毕时,操作系统主动通知应用程序。即可以理解为, read/write方法都是异步的,完成后会主动调用回调函数。   在JDK1.7中,这部分内容成为AIO。

2、主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道

  • AsynchronousSocketChannel
  • AsynchronousServerSocketChannel
  • AsynchronousFileChannel
  • AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法,会返回一个带回调函数的对象,当执行完读取/写入操作后,直接调用回调函数。  

BIO是一个连接一个线程。

NIO是一个请求一个线程。

AIO是一个有效请求一个线程。

3、以银行取款为例,理解一下概念

  • 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)

四、java对BIO、NIO、AIO的支持

1、java BIO:同步并阻塞

在此种方式下,用户进程在发起一个IO操作以后,必须等待IO操作的完成,只有当真正完成了IO操作以后,用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式!

服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端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。

2、java NIO:同步非阻塞

在此种方式下,用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情,但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪,这就要求用户进程不停的去询问,从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

服务器实现模式为一个请求一个线程,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。

3、java AIO:异步非阻塞

在此种模式下,用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回,等IO操作真正的完成以后,应用程序会得到IO操作完成的通知,此时用户进程只需要对数据进行处理就好了,不需要进行实际的IO读写操作,因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。 

服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的I/O请求都是有OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

BIO与NIO、AIO的区别

五、BIO、NIO、AIO适用场景分析

BIO方式适用于连接数目比较少且固定的架构,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,程序只管简单易理解。

NIO方式适用于连接数目多且比较短的架构,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方式适用于连接数目多且连接比较长的架构,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK1.7开始支持。

六、 Tomcat( BIO )和Jetty(NIO)

Tomcat和Jetty是目前全球范围内最著名的两款开源的webserver/servlet容器。

相同点:

1、Tomcat和Jetty都是一种servlet引擎,他们都支持标准的servlet规范和JavaEE的规范。

不同点:

1、架构比较

(1)Jetty的架构比Tomcat简单。

(2)Jetty的架构是基于handler来实现的,主要的扩展功能都可以使用handler来实现,扩展简单。

(3)Tomcat的架构是基于容器设计的,进行扩展是需要了解Tomcat的整体设计结构,不易扩展。

2、性能比较

(1)Jetty和Tomcat性能方面差异不大。

(2)Jetty可以同时处理大量连接而且可以长时间保持连接,适合web聊天应用等等。

(3)Jetty的架构简单,因此作为服务器,Jetty可以按需加载组件,减少不必要的组件,减少了服务器内部开销,从而提高服务器性能。

(4)Jetty默认采用NIO结束处理I/O请求上更占优势,在处理静态资源时,性能较高。

(5)Tomcat适合处理少数非常繁忙的链接,Tomcat的总体性能更高。Tomcat默认采用BIO处理I/O请求,在处理静态资源时,性能较差。

3、其他比较

(1)Jetty的应用更加快速,修改简单,对新的servlet规范的支持较好。

(2)Tomcat目前应用比较广泛,对javaEE和servlet的支持更加全面,很多性能会直接集成进来。

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版权声明:程序员胖胖胖虎阿 发表于 2022年10月1日 上午12:00。
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