Java知識回顧 （9） 同步、異步IO

 

1、基本概念

同步和異步：

同步和異步是針對應用程序和內核的交互而言的。

同步指的是用戶進程觸發IO 操做並等待或者輪詢的去查看IO 操做是否就緒；

而異步是指用戶進程觸發IO 操做之後便開始作本身的事情，而當IO 操做已經完成的時候會獲得IO 完成的通知。

以銀行取款爲例：

同步 ： 本身親自出馬持銀行卡到銀行取錢（使用同步 IO 時，Java 本身處理IO 讀寫）；

異步 ： 委託一小弟拿銀行卡到銀行取錢，而後給你（使用異步IO 時，Java 將 IO 讀寫委託給OS 處理，須要將數據緩衝區地址和大小傳給OS(銀行卡和密碼)，OS 須要支持異步IO操做API）；

 

 

阻塞和非阻塞：阻塞和非阻塞是針對於進程在訪問數據的時候，根據IO操做的就緒狀態來採起的不一樣方式，說白了是一種讀取或者寫入操做方法的實現方式。

阻塞方式下，讀取或者寫入函數將一直等待；

而非阻塞方式下，讀取或者寫入方法會當即返回一個狀態值。

以銀行取款爲例：

阻塞 ： ATM排隊取款，你只能等待（使用阻塞IO時，Java調用會一直阻塞到讀寫完成才返回）；

非阻塞 ： 櫃檯取款，取個號，而後坐在椅子上作其它事，等號廣播會通知你辦理，沒到號你就不能去，你能夠不斷問大堂經理排到了沒有，大堂經理若是說還沒到你就不能去（使用非阻塞IO時，若是不能讀寫Java調用會立刻返回，當IO事件分發器通知可讀寫時再繼續進行讀寫，不斷循環直到讀寫完成）

 

2、應用方式

2.1 BIO 編程

Blocking IO： 同步阻塞的編程方式。

BIO編程方式一般是在JDK1.4版本以前經常使用的編程方式。編程實現過程爲：

首先，在服務端啓動一個ServerSocket來監聽網絡請求，客戶端啓動Socket發起網絡請求。

默認狀況下ServerSocket回創建一個線程來處理此請求，若是服務端沒有線程可用，客戶端則會阻塞等待或遭到拒絕。

且創建好的鏈接，在通信過程當中，是同步的。在併發處理效率上比較低。大體結構以下：

同步並阻塞，服務器實現模式爲一個鏈接一個線程，即客戶端有鏈接請求時服務器端就須要啓動一個線程進行處理，若是這個鏈接不作任何事情會形成沒必要要的線程開銷，固然能夠經過線程池機制改善。

BIO方式適用於鏈接數目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，併發侷限於應用中，JDK1.4之前的惟一選擇，但程序直觀簡單易理解。

使用線程池機制改善後的BIO模型圖以下:

 

2.NIO 編程

Unblocking IO（New IO）： 同步非阻塞的編程方式。

NIO自己是基於事件驅動思想來完成的，其主要想解決的是BIO的大併發問題。NIO基於Reactor，當socket有流可讀或可寫入socket時，操做系統會相應的通知引用程序進行處理，應用再將流讀取到緩衝區或寫入操做系統。

也就是說，這個時候，已經不是一個鏈接就要對應一個處理線程了，而是有效的請求，對應一個線程，當鏈接沒有數據時，是沒有工做線程來處理的。

 

NIO的最重要的地方是，當一個鏈接建立後，不須要對應一個線程，這個鏈接會被註冊到多路複用器上面。因此，全部的鏈接只須要一個線程就能夠搞定，當這個線程中的多路複用器進行輪詢的時候，發現鏈接上有請求的話，纔開啓一個線程進行處理，也就是一個請求一個線程模式。

在NIO的處理方式中，當一個請求來的話，開啓線程進行處理，可能會等待後端應用的資源(JDBC鏈接等)，其實這個線程就被阻塞了，當併發上來的話，仍是會有BIO同樣的問題

 

3.AIO編程

Asynchronous IO： 異步非阻塞的編程方式。

與NIO不一樣，當進行讀寫操做時，只須直接調用API的read或write方法便可。這兩種方法均爲異步的，對於讀操做而言，當有流可讀取時，操做系統會將可讀的流傳入read方法的緩衝區，並通知應用程序；對於寫操做而言，當操做系統將write方法傳遞的流寫入完畢時，操做系統主動通知應用程序。便可以理解爲，read/write方法都是異步的，完成後會主動調用回調函數。在JDK1.7中，這部份內容被稱做NIO.2，主要在java.nio.channels包下增長了下面四個異步通道：AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel。

 

bio示例

server示例：

public class Server { public static void main(String[] args) { int port = genPort(args); ServerSocket server = null; ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(50); try{ server = new ServerSocket(port); System.out.println("server started!"); while(true){ Socket socket = server.accept(); service.execute(new Handler(socket)); } }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); }finally{ if(server != null){ try { server.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } server = null; } } static class Handler implements Runnable{ Socket socket = null; public Handler(Socket socket){ this.socket = socket; } @Override public void run() { BufferedReader reader = null; PrintWriter writer = null; try{ reader = new BufferedReader( new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8")); writer = new PrintWriter( new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream(), "UTF-8")); String readMessage = null; while(true){ System.out.println("server reading... "); if((readMessage = reader.readLine()) == null){ break; } System.out.println(readMessage); writer.println("server recive : " + readMessage); writer.flush(); } }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); }finally{ if(socket != null){ try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } socket = null; if(reader != null){ try { reader.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } reader = null; if(writer != null){ writer.close(); } writer = null; } } } private static int genPort(String[] args){ if(args.length > 0){ try{ return Integer.parseInt(args[0]); }catch(NumberFormatException e){ return 9999; } }else{ return 9999; } } }

2.client示例：

public class Client { public static void main(String[] args) { String host = null; int port = 0; if(args.length > 2){ host = args[0]; port = Integer.parseInt(args[1]); }else{ host = "127.0.0.1"; port = 9999; } Socket socket = null; BufferedReader reader = null; PrintWriter writer = null; Scanner s = new Scanner(System.in); try{ socket = new Socket(host, port); String message = null; reader = new BufferedReader( new InputStreamReader(socket.getInputStream(), "UTF-8")); writer = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), true); while(true){ message = s.nextLine(); if(message.equals("exit")){ break; } writer.println(message); writer.flush(); System.out.println(reader.readLine()); } }catch(Exception e){ e.printStackTrace(); }finally{ if(socket != null){ try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } socket = null; if(reader != null){ try { reader.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } reader = null; if(writer != null){ writer.close(); } writer = null; } }