NIO vs BIO模型解读

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-10-10 23:21 12阅读 0赞

**目录**

stream vs channel

IO模型

零拷贝

传统IO

NIO优化

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### stream vs channel ###

*  stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
 *  stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
 *  二者均为全双工，即读写可以同时进行

### IO模型 ###

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞

*  同步：线程自己去获取结果（一个线程）
 *  异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：

*  等待数据阶段
 *  复制数据阶段

![bedb76405a6e4fb29fe8ca43c80330ed.png][]

阻塞 IO

![cae3af65edd8480f8e229ae201f86a4c.png][]

非阻塞 IO

![bb64e92849ef46b19cc7492d4af955e4.png][]

多路复用

![c049d92de0f94db0a9853b7717960314.png][]

异步 IO

![c6d072034f9f4222b7f01bd2992c1095.png][]

通过 DirectByteBuf

*  ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
 *  ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

### 零拷贝 ###

#### 传统IO ####

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
    
    byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
    file.read(buf);
    
    Socket socket = ...;
    socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流程是这样的：

![e25e86b38c7b4983b573abd6ee03b595.png][]

1.  java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入**内核缓冲区**。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu
    
    > DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO
2.  从**内核态**切换回**用户态**，将数据从**内核缓冲区**读入**用户缓冲区**（即 byte\[\] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA
3.  调用 write 方法，这时将数据从**用户缓冲区**（byte\[\] buf）写入 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝
4.  接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从**用户态**切换至**内核态**，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu

> 可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的
> 
>  *  用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
>  *  数据拷贝了共 4 次

#### NIO优化 ####

通过 DirectByteBuf

*  ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
 *  ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

![2f1ab6836ba2487b8ec4530b2219306c.png][]

大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用

> 堆外内存与堆内内存相对应，对于整个机器内存而言，除堆内内存以外部分即为**堆外内存**。属于用户空间。**直接使用堆外内存可以减少一次内存拷贝：** 当进行网络 `I/O` 操作、文件读写时，堆内内存都需要转换为堆外内存，然后再与底层设备进行交互。

*  这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
 *  java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
    
     *  DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
     *  通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
 *  减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 **sendFile 方法**），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

![bbe994e3d409470d8e1a55f8d41d5579.png][]

1.  java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu
2.  数据从**内核缓冲区**传输到 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝
3.  最后使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu

>  *  只发生了一次用户态与内核态的切换
>  *  数据拷贝了 3 次

进一步优化（linux 2.4）

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1.  java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu
2.  只会将一些 offset 和 length 信息拷入 **socket 缓冲区**，几乎无消耗
3.  使用 DMA 将 **内核缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

*  更少的用户态与内核态的切换
 *  不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
 *  零拷贝适合小文件传输

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