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第11讲 | Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

IO一直是软件开发中的核心部分之一，伴随着海量数据增长和分布式系统的发展，IO扩展能力愈发重要。幸运的是，Java平台IO机制经过不断完善，虽然在某些方面仍有不足，但已经在实践中证明了其构建高扩展性应用的能力。

今天我要问你的问题是，Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

典型回答

Java IO方式有很多种，基于不同的IO抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。

第一，传统的java.io包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些IO功能，比如File抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。

java.io包的好处是代码比较简单、直观，缺点则是IO效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。

很多时候，人们也把java.net下面提供的部分网络API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库，因为网络通信同样是IO行为。

第二，在Java 1.4中引入了NIO框架（java.nio包），提供了Channel、Selector、Buffer等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞IO程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。

第三，在Java 7中，NIO有了进一步的改进，也就是NIO 2，引入了异步非阻塞IO方式，也有很多人叫它AIO（Asynchronous IO）。异步IO操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

考点分析

我上面列出的回答是基于一种常见分类方式，即所谓的BIO、NIO、NIO 2（AIO）。

在实际面试中，从传统IO到NIO、NIO 2，其中有很多地方可以扩展开来，考察点涉及方方面面，比如：

基础API功能与设计， InputStream/OutputStream和Reader/Writer的关系和区别。
NIO、NIO 2的基本组成。
给定场景，分别用不同模型实现，分析BIO、NIO等模式的设计和实现原理。
NIO提供的高性能数据操作方式是基于什么原理，如何使用？
或者，从开发者的角度来看，你觉得NIO自身实现存在哪些问题？有什么改进的想法吗？

IO的内容比较多，专栏一讲很难能够说清楚。IO不仅仅是多路复用，NIO 2也不仅仅是异步IO，尤其是数据操作部分，会在专栏下一讲详细分析。

知识扩展

首先，需要澄清一些基本概念：

区分同步或异步（synchronous/asynchronous）。简单来说，同步是一种可靠的有序运行机制，当我们进行同步操作时，后续的任务是等待当前调用返回，才会进行下一步；而异步则相反，其他任务不需要等待当前调用返回，通常依靠事件、回调等机制来实现任务间次序关系。
区分阻塞与非阻塞（blocking/non-blocking）。在进行阻塞操作时，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续，比如ServerSocket新连接建立完毕，或数据读取、写入操作完成；而非阻塞则是不管IO操作是否结束，直接返回，相应操作在后台继续处理。

不能一概而论认为同步或阻塞就是低效，具体还要看应用和系统特征。

对于java.io，我们都非常熟悉，我这里就从总体上进行一下总结，如果需要学习更加具体的操作，你可以通过教程等途径完成。总体上，我认为你至少需要理解一下内容。

IO不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如Socket通信，都是典型的IO操作目标。
输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。
而Reader/Writer则是用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁。
BufferedOutputStream等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高IO处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了flush。
参考下面这张类图，很多IO工具类都实现了Closeable接口，因为需要进行资源的释放。比如，打开FileInputStream，它就会获取相应的文件描述符（FileDescriptor），需要利用try-with-resources、 try-finally等机制保证FileInputStream被明确关闭，进而相应文件描述符也会失效，否则将导致资源无法被释放。利用专栏前面的内容提到的Cleaner或finalize机制作为资源释放的最后把关，也是必要的。

下面是我整理的一个简化版的类图，阐述了日常开发应用较多的类型和结构关系。

1. Java NIO概览

首先，熟悉一下NIO的主要组成部分：

Buffer，高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的Buffer实现。
Channel，类似在Linux之类操作系统上看到的文件描述符，是NIO中被用来支持批量式IO操作的一种抽象。

File或者Socket，通常被认为是比较高层次的抽象，而Channel则是更加操作系统底层的一种抽象，这也使得NIO得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，我们可以通过Socket获取Channel，反之亦然。
Selector，是NIO实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在Selector上的多个Channel中，是否有Channel处于就绪状态，进而实现了单线程对多Channel的高效管理。Selector同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别，例如，在最新的代码库里，相关实现如下：

Linux上依赖于epoll，Windows上NIO2（AIO）模式则是依赖于iocp。

Charset，提供Unicode字符串定义，NIO也提供了相应的编解码器等，例如，通过下面的方式进行字符串到ByteBuffer的转换：

Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));

2. NIO能解决什么问题？

下面我通过一个典型场景，来分析为什么需要NIO，为什么需要多路复用。设想，我们需要实现一个服务器应用，只简单要求能够同时服务多个客户端请求即可。

使用java.io和java.net中的同步、阻塞式API，可以简单实现。

public class DemoServer extends Thread {
    private ServerSocket serverSocket;
    public int getPort() {
        return  serverSocket.getLocalPort();
    }
    public void run() {
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(0);
            while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
                requestHandler.start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (serverSocket != null) {
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                ;
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DemoServer server = new DemoServer();
        server.start();
        try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new                   InputStreamReader(client.getInputStream()));
            bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
        }
    }
 }
// 简化实现，不做读取，直接发送字符串
class RequestHandler extends Thread {
    private Socket socket;
    RequestHandler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
            out.println("Hello world!");
            out.flush();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 }

其实现要点是：

服务器端启动ServerSocket，端口0表示自动绑定一个空闲端口。
调用accept方法，阻塞等待客户端连接。
利用Socket模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取、打印。
当连接建立后，启动一个单独线程负责回复客户端请求。

这样，一个简单的Socket服务器就被实现出来了。

思考一下，这个解决方案在扩展性方面，可能存在什么潜在问题呢？

大家知道Java语言目前的线程实现是比较重量级的，启动或者销毁一个线程是有明显开销的，每个线程都有单独的线程栈等结构，需要占用非常明显的内存，所以，每一个Client启动一个线程似乎都有些浪费。

那么，稍微修正一下这个问题，我们引入线程池机制来避免浪费。

serverSocket = new ServerSocket(0);
executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
 while (true) {
    Socket socket = serverSocket.accept();
    RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
    executor.execute(requestHandler);
}

这样做似乎好了很多，通过一个固定大小的线程池，来负责管理工作线程，避免频繁创建、销毁线程的开销，这是我们构建并发服务的典型方式。这种工作方式，可以参考下图来理解。

如果连接数并不是非常多，只有最多几百个连接的普通应用，这种模式往往可以工作的很好。但是，如果连接数量急剧上升，这种实现方式就无法很好地工作了，因为线程上下文切换开销会在高并发时变得很明显，这是同步阻塞方式的低扩展性劣势。

NIO引入的多路复用机制，提供了另外一种思路，请参考我下面提供的新的版本。

public class NIOServer extends Thread {
    public void run() {
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建Selector和Channel
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
            serverSocket.configureBlocking(false);
            // 注册到Selector，并说明关注点
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();// 阻塞等待就绪的Channel，这是关键点之一
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                   // 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
                    sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
        try (SocketChannel client = server.accept();) {          client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
        }
    }
   // 省略了与前面类似的main
}

这个非常精简的样例掀开了NIO多路复用的面纱，我们可以分析下主要步骤和元素：

首先，通过Selector.open()创建一个Selector，作为类似调度员的角色。
然后，创建一个ServerSocketChannel，并且向Selector注册，通过指定SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求。

注意，为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出IllegalBlockingModeException异常。
Selector阻塞在select操作，当有Channel发生接入请求，就会被唤醒。
在sayHelloWorld方法中，通过SocketChannel和Buffer进行数据操作，在本例中是发送了一段字符串。

可以看到，在前面两个样例中，IO都是同步阻塞模式，所以需要多线程以实现多任务处理。而NIO则是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的Channel，来决定做什么，仅仅select阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。下面这张图对这种实现思路进行了形象地说明。

在Java 7引入的NIO 2中，又增添了一种额外的异步IO模式，利用事件和回调，处理Accept、Read等操作。 AIO实现看起来是类似这样子：

AsynchronousServerSocketChannel serverSock =        AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(sockAddr);
serverSock.accept(serverSock, new CompletionHandler<>() { //为异步操作指定CompletionHandler回调函数
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel sockChannel, AsynchronousServerSocketChannel serverSock) {
        serverSock.accept(serverSock, this);
        // 另外一个 write（sock，CompletionHandler{}）
        sayHelloWorld(sockChannel, Charset.defaultCharset().encode
                ("Hello World!"));
    }
  // 省略其他路径处理方法...
});

鉴于其编程要素（如Future、CompletionHandler等），我们还没有进行准备工作，为避免理解困难，我会在专栏后面相关概念补充后的再进行介绍，尤其是Reactor、Proactor模式等方面将在Netty主题一起分析，这里我先进行概念性的对比：

基本抽象很相似，AsynchronousServerSocketChannel对应于上面例子中的ServerSocketChannel；AsynchronousSocketChannel则对应SocketChannel。
业务逻辑的关键在于，通过指定CompletionHandler回调接口，在accept/read/write等关键节点，通过事件机制调用，这是非常不同的一种编程思路。

今天我初步对Java提供的IO机制进行了介绍，概要地分析了传统同步IO和NIO的主要组成，并根据典型场景，通过不同的IO模式进行了实现与拆解。专栏下一讲，我还将继续分析Java IO的主题。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？留一道思考题给你，NIO多路复用的局限性是什么呢？你遇到过相关的问题吗？

请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习鼓励金，欢迎你与我一起讨论。

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