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[Java教程]JAVA NIO概述(一):I/O模型


NIO是jdk1.4加入的新功能,我们一般成为非阻塞IO,在1.4之前,JAVA中的都是BIO(堵塞IO),BIO有以下几个缺点:

  1. 没有数据缓冲区,I/O性能存在问题
  2. 没有C/C++中channel(通道)的概念,只有输入和输出流
  3. 同步阻塞式I/O(BIO),通常会导致线程被长时间阻塞
  4. 支持的字符集有限,硬件的可一致性不好
我们会经常听到 同步(synchronous) IO和异步(asynchronous) IO,那么阻塞(blocking) IO和非阻塞(non-blocking)IO,,同步(synchronous) IO和异步(asynchronous) IO,阻塞(blocking) IO和非阻塞(non-blocking)IO分别是什么,到底有什么区别?
 
我们先对UNIX常用的I/O模型做一个简单的介绍.Linux会把所有外部设备都当做一个文件来操作,对文件的读写会返回一个file descriptor(fd,文件描述符)。对socket读写也会返回相应的描述符,称作socketfd(socket 描述符),描述符是一个数组,指向内核中的一个结构体(文件路径,数据区等一些属性)
UNIX提供了5中I/O模型:堵塞I/O模型,非堵塞I/O模型,I/O复用模型,信号驱动I/O模型,异步I/O。

对于一个network IO,以read操作来举例,它会涉及到两个系统对象,1.调用这个IO的process or thread,2.系统内核(kernel),当一个read操作发生时,它会经过两个步骤:
  1. 等待数据准备
  2. 将数据从内核拷进用户进程中

上面5种IO模型就是在这两个阶段上各自有不同的情况。
 
 
 

blocking IO 


 在linux中,默认情况下所有的socket都是blocking,一个典型的读操作流程大概是这样:

 

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用,kernel就开始了IO的第一个阶段:准备数据。对于network io来说,很多时候数据在一开始还没有到达(比如,还没有收到一个完整的UDP包),这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边,整 个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了,它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存,然后kernel返回结果,用户进程才解除 block的状态,重新运行起来。
所以,blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

non-blocking IO

linux下,可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时,流程是这个样子:


从图中可以看出,当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好,那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error。 从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次 发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call,那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。
所以,用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

 

IO multiplexing

IO复用模型,也就是linux中常说的select、epoll,有一些地方也称为事件驱动模型。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。它的流程如图:

当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket,当任何一个 socket中的数据准备好了,select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。
这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同,事实上,还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom),而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是,用select的优势在于它可以同时处理多个connection。(多说一句。所以,如果处理的连接数不是很高的话,使用 select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好,可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快,而是在于能处理更多的连接。)
在IO multiplexing Model中,实际中,对于每一个socket,一般都设置成为non-blocking,但是,如上图所示,整个用户的process其实是一直被 block的。只不过process是被select这个函数block,而不是被socket IO给block。

 

linux中一般选用epoll作为轮询和网络事件通知,因为它相比select有以下改进:
  1. 支持一个进程打开的socket fd(描述符)不受限制,仅受限于操作系统的最大文件句柄数(select打开的默认是1024)
  2. IO效率不会随着FD数目的增加而线性下降:在一个大socket集合中,由于网络空闲或者延迟,某一时段只有一部分是活跃的,但是select/poll会扫描全部的socket,导致效率下降。而epoll只会扫描活跃的集合,这是因为epoll是根据每个fd的callback函数实现的,只有活跃的fd才会调用callback,其他idle不会调用。
  3. epoll的api更加简单

 

Asynchronous I/O


先看一下它的流程:

 

用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都 完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。

 

到目前为止,已经将四个IO Model都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题:blocking和non-blocking的区别在哪,synchronous IO和asynchronous IO的区别在哪。
先回答最简单的这个:blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前,需要先给出两者的定义。Stevens给出的定义(其实是POSIX的定义)是这样子的:

  • A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

  • An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;
两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义,之前所述的blocking IO,non-blocking IO,IO multiplexing都属于synchronous IO。有人可能会说,non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方,定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作,就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候,如果kernel的数据没有准备好,这时候不会block进程。但是,当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从 kernel拷贝到用户内存中,这个时候进程是被block了,在这段时间内,进程是被block的。而asynchronous IO则不一样,当进程发起IO 操作之后,就直接返回再也不理睬了,直到kernel发送一个信号,告诉进程说IO完成。在这整个过程中,进程完全没有被block。
 

各个IO Model的比较如图所示:

经过上面的介绍,会发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中,虽然进程大部分时间都不会被block,但是它仍然要求进程去主动的check,并且当数据准备完成以后,也需要进程主动的再次调用 recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人(kernel)完成,然后他人做完后发信号通知。在此期间,用户进程不需要去检查IO操作的 状态,也不需要主动的去拷贝数据。

举一个抢票的例子来说明这四个IO Model:
阻塞IO: 火车站排队买票,得一直排队,到你了才能买
非堵塞:电脑上登录网站买票,每次可以查询是否有票,然后可以做其他事,隔会在看看有没有票,有的话就买;
IO复用:和非堵塞差不多,差别就是开多个抢票软件买票,然后守在旁边,隔会在看看有没有票,有的话就买;
异步IO:直接找黄牛买,有票了,黄牛就通知你,付钱

 
总结:
区分是同步IO还是异步IO:同步IO在数据准备就绪后,需要自己负责读写,把数据用内核空间复制到用户空间中,也就是说这个读写过程是堵塞的,而异步IO不需要自己负责读写,异步IO的实现会把数据从内核空间复制到用户空间。
区分是堵塞IO还是非堵塞IO: 就是在数据准备过程中,堵塞IO会一直堵塞直到数据准备好,而非堵塞IO在数据未准备好的情况下,会立即返回一个error状态,可以继续做其他事情,过一段时间再次轮询这个状态,直到成功即可。