Java I/O 模型的演进

什么是同步?什么是异步?阻塞和非阻塞又有什么区别?本文先从 Unix 的 I/O 模型讲起,介绍了5种常见的 I/O 模型。而后再引出 Java 的 I/O 模型的演进过程,并用实例说明如何选择合适的 Java I/O 模型来提高系统的并发量和可用性。

由于,Java 的 I/O 依赖于操作系统的实现,所以先了解 Unix 的 I/O 模型有助于理解 Java 的 I/O。

相关概念

同步和异步

描述的是用户线程与内核的交互方式:

  • 同步是指用户线程发起 I/O 请求后需要等待或者轮询内核 I/O 操作完成后才能继续执行;
  • 异步是指用户线程发起 I/O 请求后仍继续执行,当内核 I/O 操作完成后会通知用户线程,或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞

描述的是用户线程调用内核 I/O 操作的方式:

  • 阻塞是指 I/O 操作需要彻底完成后才返回到用户空间;
  • 非阻塞是指 I/O 操作被调用后立即返回给用户一个状态值,无需等到 I/O 操作彻底完成。

一个 I/O 操作其实分成了两个步骤:发起 I/O 请求和实际的 I/O 操作。 阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的区别在于第一步,发起 I/O 请求是否会被阻塞,如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞 I/O ,如果不阻塞,那么就是非阻塞 I/O 。 同步 I/O 和异步 I/O 的区别就在于第二个步骤是否阻塞,如果实际的 I/O 读写阻塞请求进程,那么就是同步 I/O 。

Unix I/O 模型

Unix 下共有五种 I/O 模型:

  1. 阻塞 I/O
  2. 非阻塞 I/O
  3. I/O 复用(select 和 poll)
  4. 信号驱动 I/O(SIGIO)
  5. 异步 I/O(POSIX 的 aio_系列函数)

阻塞 I/O

请求无法立即完成则保持阻塞。

  • 阶段1:等待数据就绪。网络 I/O 的情况就是等待远端数据陆续抵达;磁盘I/O的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中。
  • 阶段2:数据从内核拷贝到进程。出于系统安全,用户态的程序没有权限直接读取内核态内存,因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中。

非阻塞 I/O

  • socket 设置为 NONBLOCK(非阻塞)就是告诉内核,当所请求的 I/O 操作无法完成时,不要将进程睡眠,而是返回一个错误码(EWOULDBLOCK) ,这样请求就不会阻塞
  • I/O 操作函数将不断的测试数据是否已经准备好,如果没有准备好,继续测试,直到数据准备好为止。整个 I/O 请求的过程中,虽然用户线程每次发起 I/O 请求后可以立即返回,但是为了等到数据,仍需要不断地轮询、重复请求,消耗了大量的 CPU 的资源
  • 数据准备好了,从内核拷贝到用户空间。

一般很少直接使用这种模型,而是在其他 I/O 模型中使用非阻塞 I/O 这一特性。这种方式对单个 I/O 请求意义不大,但给 I/O 多路复用铺平了道路.

I/O 复用(异步阻塞 I/O)

I/O 多路复用会用到 select 或者 poll 函数,这两个函数也会使进程阻塞,但是和阻塞 I/O 所不同的的,这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作,多个写操作的 I/O 函数进行检测,直到有数据可读或可写时,才真正调用 I/O 操作函数。

从流程上来看,使用 select 函数进行 I/O 请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视 socket,以及调用 select 函数的额外操作,效率更差。但是,使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 I/O 请求。用户可以注册多个 socket,然后不断地调用 select 读取被激活的 socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个 I/O 请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

I/O 多路复用模型使用了 Reactor 设计模式实现了这一机制。

调用 select / poll 该方法由一个用户态线程负责轮询多个 socket,直到某个阶段1的数据就绪,再通知实际的用户线程执行阶段2的拷贝。 通过一个专职的用户态线程执行非阻塞I/O轮询,模拟实现了阶段一的异步化

信号驱动 I/O(SIGIO)

首先我们允许 socket 进行信号驱动 I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时,进程会收到一个 SIGIO 信号,可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

异步 I/O

调用 aio_read 函数,告诉内核描述字,缓冲区指针,缓冲区大小,文件偏移以及通知的方式,然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后,再通知应用程序。

异步 I/O 模型使用了 Proactor 设计模式实现了这一机制。

告知内核,当整个过程(包括阶段1和阶段2)全部完成时,通知应用程序来读数据.

几种 I/O 模型的比较

前四种模型的区别是阶段1不相同,阶段2基本相同,都是将数据从内核拷贝到调用者的缓冲区。而异步 I/O 的两个阶段都不同于前四个模型。

同步 I/O 操作引起请求进程阻塞,直到 I/O 操作完成。异步 I/O 操作不引起请求进程阻塞。

常见 Java I/O 模型

在了解了 UNIX 的 I/O 模型之后,其实 Java 的 I/O 模型也是类似。

“阻塞I/O”模式

在上一节 Socket 章节中的 EchoServer 就是一个简单的阻塞 I/O 例子,服务器启动后,等待客户端连接。在客户端连接服务器后,服务器就阻塞读写取数据流。

EchoServer 代码:

public class EchoServer {
    public static int DEFAULT_PORT = 7;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port;

        try {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } catch (RuntimeException ex) {
            port = DEFAULT_PORT;
        }

        try (
            ServerSocket serverSocket =
                new ServerSocket(port);
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();     
            PrintWriter out =
                new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);                   
            BufferedReader in = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
        ) {
            String inputLine;
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                out.println(inputLine);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("Exception caught when trying to listen on port "
                + port + " or listening for a connection");
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

改进为“阻塞I/O+多线程”模式

使用多线程来支持多个客户端来访问服务器。

主线程 MultiThreadEchoServer.java

public class MultiThreadEchoServer {
    public static int DEFAULT_PORT = 7;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port;

        try {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } catch (RuntimeException ex) {
            port = DEFAULT_PORT;
        }
        Socket clientSocket = null;
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
            while (true) {
                clientSocket = serverSocket.accept();

                // MultiThread
                new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(
                    "Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

处理器类 EchoServerHandler.java

public class EchoServerHandler implements Runnable {
    private Socket clientSocket;

    public EchoServerHandler(Socket clientSocket) {
        this.clientSocket = clientSocket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
                BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));) {

            String inputLine;
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                out.println(inputLine);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

存在问题:每次接收到新的连接都要新建一个线程,处理完成后销毁线程,代价大。当有大量地短连接出现时,性能比较低。

改进为“阻塞I/O+线程池”模式

针对上面多线程的模型中,出现的线程重复创建、销毁带来的开销,可以采用线程池来优化。每次接收到新连接后从池中取一个空闲线程进行处理,处理完成后再放回池中,重用线程避免了频率地创建和销毁线程带来的开销。

主线程 ThreadPoolEchoServer.java

public class ThreadPoolEchoServer {
    public static int DEFAULT_PORT = 7;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port;

        try {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } catch (RuntimeException ex) {
            port = DEFAULT_PORT;
        }
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
        Socket clientSocket = null;
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
            while (true) {
                clientSocket = serverSocket.accept();

                // Thread Pool
                threadPool.submit(new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)));
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(
                    "Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

存在问题:在大量短连接的场景中性能会有提升,因为不用每次都创建和销毁线程,而是重用连接池中的线程。但在大量长连接的场景中,因为线程被连接长期占用,不需要频繁地创建和销毁线程,因而没有什么优势。

虽然这种方法可以适用于小到中度规模的客户端的并发数,如果连接数超过 100,000或更多,那么性能将很不理想。

改进为“非阻塞I/O”模式

“阻塞I/O+线程池”网络模型虽然比”阻塞I/O+多线程”网络模型在性能方面有提升,但这两种模型都存在一个共同的问题:读和写操作都是同步阻塞的,面对大并发(持续大量连接同时请求)的场景,需要消耗大量的线程来维持连接。CPU 在大量的线程之间频繁切换,性能损耗很大。一旦单机的连接超过1万,甚至达到几万的时候,服务器的性能会急剧下降。

而 NIO 的 Selector 却很好地解决了这个问题,用主线程(一个线程或者是 CPU 个数的线程)保持住所有的连接,管理和读取客户端连接的数据,将读取的数据交给后面的线程池处理,线程池处理完业务逻辑后,将结果交给主线程发送响应给客户端,少量的线程就可以处理大量连接的请求。

Java NIO 由以下几个核心部分组成:

  • Channel
  • Buffer
  • Selector

要使用 Selector,得向 Selector 注册 Channel,然后调用它的 select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新连接进来,数据接收等。

主线程 NonBlokingEchoServer.java

public class NonBlokingEchoServer {
    public static int DEFAULT_PORT = 7;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port;

        try {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } catch (RuntimeException ex) {
            port = DEFAULT_PORT;
        }
        System.out.println("Listening for connections on port " + port);

        ServerSocketChannel serverChannel;
        Selector selector;
        try {
            serverChannel = ServerSocketChannel.open();
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
            serverChannel.bind(address);
            serverChannel.configureBlocking(false);
            selector = Selector.open();
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        } catch (IOException ex) {
            ex.printStackTrace();
            return;
        }

        while (true) {
            try {
                selector.select();
            } catch (IOException ex) {
                ex.printStackTrace();
                break;
            }
            Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                try {
                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel client = server.accept();
                        System.out.println("Accepted connection from " + client);
                        client.configureBlocking(false);
                        SelectionKey clientKey = client.register(selector,
                                SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ);
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
                        clientKey.attach(buffer);
                    }
                    if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
                        client.read(output);
                    }
                    if (key.isWritable()) {
                        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
                        output.flip();
                        client.write(output);

                        output.compact();
                    }
                } catch (IOException ex) {
                    key.cancel();
                    try {
                        key.channel().close();
                    } catch (IOException cex) {
                    }
                }
            }
        }

    }
}

改进为“异步I/O”模式

Java SE 7 版本之后,引入了异步 I/O (NIO.2) 的支持,为构建高性能的网络应用提供了一个利器。

主线程 AsyncEchoServer.java

public class AsyncEchoServer {

    public static int DEFAULT_PORT = 7;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port;

        try {
            port = Integer.parseInt(args[0]);
        } catch (RuntimeException ex) {
            port = DEFAULT_PORT;
        }

        ExecutorService taskExecutor = Executors.newCachedThreadPool(Executors.defaultThreadFactory());
        // create asynchronous server socket channel bound to the default group
        try (AsynchronousServerSocketChannel asynchronousServerSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
            if (asynchronousServerSocketChannel.isOpen()) {
                // set some options
                asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 4 * 1024);
                asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_REUSEADDR, true);
                // bind the server socket channel to local address
                asynchronousServerSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
                // display a waiting message while ... waiting clients
                System.out.println("Waiting for connections ...");
                while (true) {
                    Future<AsynchronousSocketChannel> asynchronousSocketChannelFuture = asynchronousServerSocketChannel
                            .accept();
                    try {
                        final AsynchronousSocketChannel asynchronousSocketChannel = asynchronousSocketChannelFuture
                                .get();
                        Callable<String> worker = new Callable<String>() {
                            @Override
                            public String call() throws Exception {
                                String host = asynchronousSocketChannel.getRemoteAddress().toString();
                                System.out.println("Incoming connection from: " + host);
                                final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
                                // transmitting data
                                while (asynchronousSocketChannel.read(buffer).get() != -1) {
                                    buffer.flip();
                                    asynchronousSocketChannel.write(buffer).get();
                                    if (buffer.hasRemaining()) {
                                        buffer.compact();
                                    } else {
                                        buffer.clear();
                                    }
                                }
                                asynchronousSocketChannel.close();
                                System.out.println(host + " was successfully served!");
                                return host;
                            }
                        };
                        taskExecutor.submit(worker);
                    } catch (InterruptedException | ExecutionException ex) {
                        System.err.println(ex);
                        System.err.println("\n Server is shutting down ...");
                        // this will make the executor accept no new threads
                        // and finish all existing threads in the queue
                        taskExecutor.shutdown();
                        // wait until all threads are finished
                        while (!taskExecutor.isTerminated()) {
                        }
                        break;
                    }
                }
            } else {
                System.out.println("The asynchronous server-socket channel cannot be opened!");
            }
        } catch (IOException ex) {
            System.err.println(ex);
        }
    }
}

源码

本章例子的源码,可以在 https://github.com/waylau/essential-java 中 com.waylau.essentialjava.net.echo 包下找到。

参考引用



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