1. 同步并阻塞 (I/O 方法)

服务器实现模式为一个连接启动一个线程,每个线程亲自处理 I/O 并且一直等待 I/O 直到完成,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。但是如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销,当然可以通过线程池机制改善这个缺点。I/O 的局限是它是面向流的、阻塞式的、串行的一个过程。对每一个客户端的 Socket 连接 I/O 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浪费了 CPU 的时间片和线程占用的内存资源。此外,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)。这种方式具有很快的响应速度,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.同步非阻塞 (NIO 方法)

服务器实现模式为一个请求启动一个线程,每个线程亲自处理 I/O,但是另外的线程轮询检查是否 I/O 准备完毕,不必等待 I/O 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,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,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,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,效率得到大幅度提高;

NIO 是基于块 (Block) 的,它以块为基本单位处理数据。在 NIO 中,最为重要的两个组件是缓冲 Buffer通道 Channel 。缓冲是一块 连续的内存块,是 NIO 读写数据的中转地。通道标识缓冲数据的源头或者目的地,它用于向缓冲读取或者写入数据,是访问缓冲的接口。Channel 是一个双向通道,即可读,也可写。Stream 是单向的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作,而必须通过 Buffer 来进行,即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的

PS:NIO中在写入buffer的时候的“聚集”和“散射”操作很有意思。

3.异步非阻塞 (AIO 方法,JDK7 发布)

服务器实现模式为一个有效请求启动一个线程,客户端的 I/O 请求都是由操作系统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 I/O,而是委派操作系统来处理,并且也不需要等待 I/O 完成,如果完成了操作系统会另行通知的。该模式采用了 Linux 的 epoll 模型。

4. 总结

I/O 与 NIO 一个比较重要的区别是我们使用 I/O 的时候往往会引入多线程,每个连接使用一个单独的线程,而 NIO 则是使用单线程或者只使用少量的多线程,每个连接共用一个线程。而由于 NIO 的非阻塞需要一直轮询,比较消耗系统资源,所以异步非阻塞模式 AIO 就诞生了。本文对 I/O、NIO、AIO 等三种输入输出操作方式进行一一介绍,力求通过简单的描述和实例让读者能够掌握基本的操作、优化方法。

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