Java I/O演進(jìn)

在JDK1.4推出Java NIO之前揣炕，基于Java的所有Socket通信都采用了同步阻塞模式（BIO），這種——請求——應(yīng)答的通信模型簡化了上層的應(yīng)用開發(fā)，但是在性能和可靠性方面卻存在著巨大的瓶頸陕贮。因此颖杏，在很長一段時間里，大型的應(yīng)用服務(wù)器都采用C或者C++語言開發(fā)落剪，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯邮褂貌僮飨到y(tǒng)提供的異步I/O（AIO）能力。當(dāng)并發(fā)訪問量增大尿庐，響應(yīng)時間延遲增大之后忠怖，采用Java BIO并發(fā)的服務(wù)端軟件只有通過硬件的不斷擴(kuò)容來滿足高并發(fā)和低延時，它極大地增加了企業(yè)的成本抄瑟，并且隨著集群規(guī)模的不斷膨脹凡泣，系統(tǒng)的可維護(hù)性也面巨大的挑戰(zhàn)枉疼，只能通過采購性能更高的硬件服務(wù)器來解決問題，這會導(dǎo)致惡性循環(huán)鞋拟。

正是由于Java傳統(tǒng)BIO的拙劣表現(xiàn)骂维，才使得Java支持非阻塞I/O的呼的呼聲日漸高漲，最終贺纲，JDK1.4版本提供了新的NIO類庫（new input/output）航闺，Java終于也可以支持非阻塞I/O了。

Java I/O 發(fā)展簡史

從JDK1.0到JDK1.3猴誊，Java的I/O類庫都非常原始潦刃，很多UNIX網(wǎng)絡(luò)編程中的概念或者接口在I/O類庫中都沒有體現(xiàn)，例如：Pipe懈叹，Channel乖杠，Buffer和Selector等。2002年發(fā)布JDK1.4時澄成，NIO以JSR-51的身份正式隨JDK發(fā)布胧洒。NIO主要的類和接口如下：

• 進(jìn)行異步I/O操作的緩沖區(qū)ByteBuffer等；
• 進(jìn)行異步I/O操作的管道Pipe墨状；
• 進(jìn)行各種I/O操作（異步或者同步）的Channel卫漫，包括ServerSocketChannel和SocketChannel；
• 多種字符集的編碼能力和解碼能力肾砂；
• 實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O操作的多路復(fù)用器Selector列赎；
• 基于流行的Perl實(shí)現(xiàn)的正則表達(dá)式類庫；
• 文件通道FileChannel通今；

新的NIO類庫的提供粥谬，極大地促進(jìn)了基于Java的異步非阻塞編程的發(fā)展和應(yīng)用，但是辫塌，它依然有不完善的地方漏策，特別是對文件系統(tǒng)的處理能力仍顯不足，主要問題如下：

• 沒有統(tǒng)一的文件屬性（例如讀寫權(quán)限）
• API能力比較弱臼氨，例如目錄的級聯(lián)創(chuàng)建和遞歸遍歷掺喻，往往需要自己實(shí)現(xiàn)。
• 底層存儲系統(tǒng)的一些高級API無法使用储矩。
• 所有的文件操作都是同步阻塞調(diào)用感耙，不支持異步文件讀寫操作。

2011年7月28日持隧，JDK1.7正式發(fā)布即硼。它的一個比較大的亮點(diǎn)就是將原來的NIO類庫進(jìn)行了升級，被稱為NIO2.0屡拨。NIO2.0由JSR-203演進(jìn)而來只酥，它主要提供了如下三個方面的改進(jìn)：

• 提供能夠批量獲取文件屬性的API褥实，這些API具有平臺無關(guān)性，不與特性的文件系統(tǒng)相耦合裂允，另外它還提供了標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)的SPI损离，供各個服務(wù)提供商擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)
• 提供AIO功能，支持基于文件的異步I/O操作和針對網(wǎng)絡(luò)套接字的異步操作
• 完成JSR-51定義的通道功能绝编，包括對配置和多播數(shù)據(jù)報的支持等僻澎。

傳統(tǒng)BIO編程

網(wǎng)絡(luò)編程的基本模型是Client/Server模型，也就是兩個進(jìn)程之間進(jìn)行相互通信十饥，其中服務(wù)端提供位置信息（綁定的IP地址和監(jiān)聽端口）窟勃，客戶端通過連接操作向服務(wù)器監(jiān)聽的地址發(fā)起連接請求，通過三次握手建立連接绷跑，如果連接建立成功拳恋，雙方就可以通過網(wǎng)絡(luò)套接字（Socket）進(jìn)行通信凡资。

在基于傳統(tǒng)同步阻塞模型開發(fā)中砸捏，ServerSocket負(fù)責(zé)綁定IP地址，啟動監(jiān)聽端口隙赁； Socket負(fù)責(zé)發(fā)起連接操作垦藏。連接成功之后，雙方通過輸入和輸出流進(jìn)行同步阻塞式通信伞访。

BIO通信模型

BIO的服務(wù)端通信模型：

bio-model.png

采用BIO通信模型的服務(wù)端掂骏，通常由一個獨(dú)立的Acceptor線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接，它接收到客戶端連接請求之后為每個客戶端創(chuàng)建一個新的線程進(jìn)行鏈路處理厚掷，處理完成之后弟灼，通過輸出流返回應(yīng)答給客戶端，線程銷毀冒黑。這就是典型的 一請求一應(yīng)答通信模型田绑。

該模型最大的問題就是缺乏彈性伸縮能力，當(dāng)客戶端并發(fā)訪問量增加后抡爹，服務(wù)端的線程個數(shù)和客戶端并發(fā)訪問數(shù)呈1：1的正比關(guān)系掩驱，由于線程是Java虛擬機(jī)非常寶貴的系統(tǒng)資源，當(dāng)線程數(shù)膨脹之后冬竟，系統(tǒng)的性能將急劇下降欧穴，隨著并發(fā)訪問量的繼續(xù)增大，系統(tǒng)會發(fā)生線程堆棧溢出泵殴，創(chuàng)建新線程失敗等問題涮帘，并最終導(dǎo)致進(jìn)程宕機(jī)或者僵死，不能對外提供服務(wù)笑诅。

BIO 簡單示例

Server 端

同步阻塞IO的TimeServer：

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class TimeServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        int port = 8080;
        if(args != null && args.length > 0){
            try{
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            }catch (NumberFormatException e){
                //采用默認(rèn)值
            }
        }
        ServerSocket server = null;
        try {
            server = new ServerSocket(port);
            System.out.println("The time server is start in port : " + port);
            Socket socket = null;
            while(true) {
                socket = server.accept();    //接收客戶端連接請求调缨，沒有的時候就阻塞
                System.out.println("收到來自客戶端的請求");
                new Thread(new TimeServerHandler(socket)).start();
            }
        } finally{
            if(server != null) {
                System.out.println("The time server close");
                server.close();
            }
        }
    }
}

TimeServer根據(jù)傳入的參數(shù)設(shè)置監(jiān)聽端口映屋，如果沒有入?yún)ⅲ褂媚J(rèn)值8080同蜻，20行通過構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建ServerSocket棚点，如果端口合法且沒有被占用，服務(wù)端監(jiān)聽成功湾蔓。23-26行通過一個無限循環(huán)來監(jiān)聽客戶端的連接瘫析，如果沒有客戶端接入，則主線程阻塞在ServerSocket的accept操作上默责。啟動TimeServer贬循，通過JvisualVM打印線程堆棧，我們可以發(fā)現(xiàn)主程序確實(shí)阻塞在accept操作上

當(dāng)有新的客戶端接入的時候桃序，執(zhí)行代碼25行杖虾，以Socket為參數(shù)構(gòu)造TimeServerHandler對象，TimeServerHandler是一個Runnable媒熊，使用它為構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)創(chuàng)建一個新的客戶端線程處理這條Socket鏈路奇适。下面我們繼續(xù)分析TimeServerHandler的代碼。

同步阻塞IO的TimeServerHandler：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class TimeServerHandler implements Runnable {
    private Socket socket;
    public TimeServerHandler(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        BufferedReader in = null;
        PrintWriter out = null;
        try {
            in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream()));
            out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(),true);
            String currentTime = null;
            String body = null;
            while(true) {
                body = in.readLine();        //從客戶端讀
                if(body == null) break;
                System.out.println("The time server receive order: " + body);
                currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ?
                        new java.util.Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
                out.print(currentTime);    //向客戶端寫
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            if(in != null){
                try {
                    in.close();
                } catch (IOException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
            if(out != null) {
                out.close();
            }
            if(this.socket != null) {
                try {
                    this.socket.close();
                } catch (IOException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
                this.socket = null;
            }
        }
    }
}

25行通過BufferedReader讀取一行芦鳍，如果已經(jīng)讀到了輸入流的尾部嚷往，則返回值為null，退出循環(huán)柠衅。如果讀到了非空值皮仁，則對內(nèi)容進(jìn)行判斷，如果請求消息為查詢時間的指令”QUERY TIME ORDER”則獲取當(dāng)前最新的系統(tǒng)時間菲宴，通過PrintWriter的println函數(shù)發(fā)送給客戶端贷祈，最后退出循環(huán)。代碼35-52行釋放輸入流喝峦、輸出流势誊、和Socket套接字句柄資源，最后線程自動銷毀并被虛擬機(jī)回收愈犹。

Client端

客戶端通過Socket創(chuàng)建键科，發(fā)送查詢時間服務(wù)器的”QUERY TIME ORDER”指令，然后讀取服務(wù)端的響應(yīng)并將結(jié)果打印出來漩怎，隨后關(guān)閉連接勋颖，釋放資源，程序退出執(zhí)行勋锤。

同步阻塞IO的TimeClient：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class TimeClient {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        if(args != null && args.length > 0){
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (NumberFormatException e) {
                //采用默認(rèn)值
            }
        }
        Socket socket = null;
        BufferedReader in = null;
        PrintWriter out = null;
        try {
            socket = new Socket("127.0.0.1",port);    //創(chuàng)建socket
            in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(),true);
            out.println("QUERY TIME ORDER"); //向服務(wù)端寫出QUERY TIME ORDER
            System.out.println("Send order 2 server succeed.");
            String resp = in.readLine(); //從服務(wù)端讀入
            System.out.println("Now is : " +  resp);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            //不需要處理
        } finally {
            if(out != null ){
                out.close();
            }
            if(in != null){
                try {
                    in.close();
                } catch (IOException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
            if(socket != null){
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

第23行客戶端通過PrintWriter向服務(wù)端發(fā)送”QUERY TIME ORDER”指令饭玲，然后通過BufferedReader的readLine讀取響應(yīng)并打印。

BIO潛在的問題

BIO主要的問題在于每當(dāng)有一個新的客戶端請求接入時叁执，服務(wù)端必須創(chuàng)建一個新的線程處理新接入的客戶端鏈路茄厘，一個線程只能處理一個客戶端連接矮冬。在高性能服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要面向成千上萬個客戶端的并發(fā)連接次哈，這種模型顯然無法滿足高性能胎署，高并發(fā)接入的場景。

為了改進(jìn)一線程一連接模型窑滞，后來又演進(jìn)出了一種通過線程池或者消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)1個或者多個線程處理N個客戶端的模型琼牧，由于它的底層通信機(jī)制依然使用同步阻塞I/O，所以被稱為“偽異步”哀卫，下一節(jié)會講到巨坊。