NIO、AIO概念理解和学习

1.Java NIO中的同步、异步、阻塞和非阻塞(非NIO2.0)

在不同的上下文环境中,Java NIO的模式可以说成是同步、异步、阻塞、非阻塞,关注点不同,结论不同,本文主要记录自己的理解。

  • 为什么说是同步

  • 按照UNIX网络编程模型的说法,Java NIO使用的I/O复用模型在select调用上发生了阻塞,因此不属于异步I/O,参见原文定义:

An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked.

  • 数据准备好(就绪)后,用户线程仍需要主动同步进行I/O读写操作,而真正的异步I/O模型下,用户线程不参与拷贝读写,如下图:
  • 为什么说是异步

    • 用户线程注册事件处理器Selector之后可以继续执行做其他的工作,而Selector线程负责调用内核的select函数检查socket状态。当有socket被激活时,则通知相应的用户线程(或执行用户线程的回调函数),执行handle_event进行数据读取、处理的工作。这种通知调用方式属于异步调用。

    • NIO类库支持非阻塞读和写操作,相比于同步阻塞读写,是异步的,这里的异步非阻塞是同义语

  • 为什么说是阻塞

    • select调用是阻塞的,如下图:


    • NIO类库也支持通道的阻塞模式(configureBlocking方法设置为true),但是如果向一个或多个选择器注册了此通道,则尝试将此通道置于阻塞模式将导致抛出 IllegalBlockingModeException,一般设置为非阻塞。
  • 为什么说是非阻塞

    • NIO类库支持非阻塞读和写操作,向选择器selector注册的通道一般为非阻塞模式
2.关于非阻塞读写
  • 这里所说的非阻塞是针对I/O模型里面的数据拷贝阶段,如recvfrom函数调用,而不是非阻塞I/O模型(图6.6)

  • 这里所说的非阻塞是指socket函数本身(如recvfrom)可以设置为阻塞和非阻塞模式,阻塞模式意味着必须要做完IO操作(包括错误)才会返回。 非阻塞模式下无论操作是否完成都会立刻返回,需要通过其他方式来判断具体操作是否成功

  • 对于读而言:阻塞和非阻塞I/O的区别在于没有数据到达的时候是否立刻返回

  • 对于写而言:在阻塞I/O的情况是会一直等待直到write完全部的数据再返回,这个和阻塞读有区别。非阻塞写的情况下,是采用可以写多少就写多少的策略

3. 关于异步I/O(NIO2.0)
  • 为什么说AIO是真正的异步I/O
    当用户线程收到通知时,数据已经被内核读取完毕,并放在了用户线程指定的缓冲区内,内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可,在整个过程中,用户线程除了发起请求之外未参与任何I/O相关的操作,也并未被任何函数阻塞

  • AIO与NIO的区别,在Client端体现为用户线程得到通知的时间点

在NIO中,当发生相应读写事件时,用户线程得到通知,表明数据已就绪,开始同步调用非阻塞读写函数,Java API如下:

java.nio.channels.SocketChannel.read(ByteBuffer dst)
java.nio.channels.SocketChannel.write(ByteBuffer src)

在AIO中,当发生相应事件时,用户线程得到通知,表明I/O操作已经由操作系统异步完成,用户线程只需事先向内核申明I/O缓冲区、注册handler并定义回调的completed方法即可,Java API如下:

java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel.read(ByteBuffer dst, ByteBuffer attachment, CompletionHandler<Integer, ? super ByteBuffer> handler)
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel.write(ByteBuffer src, ByteBuffer attachment, CompletionHandler<Integer, ? super ByteBuffer> handler)
  • AIO与NIO的区别,在Server端体现为Reactor/Proactor的区别,在NIO中,监控的事件通常为数据的到达;在AIO中,监控的是事件通常为I/O的完成
4. 参考资料

网络编程常见问题总结
Scalable IO in Java
高性能IO模型浅析
两种高性能I/O设计模式(Reactor/Proactor)的比较

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