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大道至简
Java基础之Java提供了哪些IO方式? NIO如何实现多路复用?

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。

首先,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,你可以通过教程等途径完成。总体上,我认为你至少需要理解:

  • 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。

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(http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/linux/classes/sun/nio/ch/EPollSelectorImpl.java)。

Windows上NIO2(AIO)模式则是依赖于iocp([](http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/windows/classes/sun/nio/ch/Iocp.java))。

Chartset,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。

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。

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。

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。