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Java NIO

news 2025/8/7 6:58:44

IO 模型

IO指的是计算机与外部设备间交换数据的过程。比如磁盘，网络IO。
应用程序的IO分为两步：IO调用和IO执行。IO调用由应用程序发起，调用操作系统的 API，IO执行由操作系统内核执行。因为操作系统负责计算机资源的管理，不允许应用程序直接操纵。
进程的内存空间分为用户空间和内核空间。内核执行IO，等待IO设备准备好数据放入内核空间，之后将数据从内核空间拷贝到用户空间。

阻塞IO模型：
应用线程发起IO调用后，一直阻塞，直到内核将数据拷贝到用户空间为止。JAVA BIO 就是阻塞IO。
它的问题是：用户线程阻塞，为了并发执行多个IO，需要一个线程池管理IO线程。线程的问题是：占用内存资源多，线程上下文切换开销大，创建和销毁线程成本高。

非阻塞IO模型：
应用线程发起IO调用，立即返回结果(数据未就绪返回错误结果)，不阻塞，称为非阻塞IO。这里的非阻塞是等待阶段不阻塞，操作系统内核将数据从内核空间拷贝到用户空间，应用线程仍然是阻塞的。
它的问题是：应用线程频繁轮询，消耗大量 CPU 资源。

IO多路复用模型：
应用线程不主动轮询，而是等待内核准备好数据后主动通知应用线程。
文件描述符：程序打开一个文件或者创建新文件，内核向进程返回一个文件描述符。
系统提供的函数(select, poll, epoll)同时监控多个文件描述符，任何一个返回内核数据就绪，通知应用线程读取数据。

信号驱动模型：
应用线程向内核发送信号，内核数据就绪后，向应用线程发送信号。应用线程读取数据。

异步IO：
上面四个IO，应用线程读取数据(将数据从内核空间拷贝到用户空间)都是阻塞的。
异步IO，应用线程发起IO调用，立即返回结果。内核将数据拷贝到用户空间后，发送信号通知应用线程。

NIO

NIO(non-blockiong IO)是同步非阻塞IO。它的核心概念有三个：channel, buffer, selector.底层是IO多路复用模型。
它与 BIO 的区别是：

NIO 面向缓冲区，BIO 面向流。
NIO 是非阻塞的，BIO 是阻塞的。

阻塞和非阻塞强调程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的状态，只是从逻辑上当前函数没有返回而已，即同步等待时什么都不干，白白占用着资源。

同步和异步强调的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)。
同步，就是在发出一个"调用"时，在没有得到结果之前，该“调用”就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由“调用者”主动等待这个“调用”的结果。
而异步则是相反，"调用"在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在"调用"发出后，"被调用者"通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用

Channel

channel 类似BIO的流，channel 是双向的。

buffer

buffer 是数据块，缓存数据，用户线程可以读取/修改 buffer 任意位置的数据。

selector

一个 channel 代表一个连接，selector 利用IO多路复用模型，用一个 selector 线程注册，监听多个 channel。减少多个线程各自处理 channel 的线程池开销。

Selector

一个程序可能要建立多个连接，如果为每个 channel 分配一个线程。大部分时间线程处于阻塞状态，浪费资源。
因此用一个 selector 线程管理多个 channel，channel 以事件注册到 selector。selector 单线程轮询检测事件，如果事件就绪，交给处理器处理。
selector 可以并发处理成百上千个客户端连接。

NIO 简化为四种IO事件：
可读 SelectionKey.OP_READ
可写 SelectionKey.OP_WRITE
连接 SelectionKey.OP_CONNECT
接收 SelectionKey.OP_ACCEPT