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Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何實現多路複用？
Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何實現多路複用？
典型回答
Java IO 方式有很多種，基於不同的 IO 抽象模型和交互方式，可以進行簡單區分。
第一 BIO，傳統的 java.io 包，它基於流模型實現，提供了我們最熟知的一些 IO 功能，比如 File 抽象、輸入輸出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是說，在讀取輸入流或者寫入輸出流時，在讀、寫動作完成之前，線程會一直阻塞在那裏，它們之間的調用是可靠的線性順序。
java.io 包的好處是代碼比較簡單、直觀，缺點則是 IO 效率和擴展性存在侷限性，容易成爲應用性能的瓶頸。
很多時候，人們也把 java.net 下面提供的部分網絡 API，比如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection
也歸類到同步阻塞 IO 類庫，因爲網絡通信同樣是 IO 行爲。
第二 NIO，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，可以構建多路複用的、同步非阻塞 IO 程序，同時提供了更接近操作系統底層的高性能數據操作方式。
第三 AIO，在 Java 7 中，NIO 有了進一步的改進，也就是 NIO 2（AIO），引入了異步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。異步 IO 操作基於事件和回調機制，可以簡單理解爲，應用操作直接返回，而不會阻塞在那裏，當後臺處理完成，操作系統會通知相應線程進行後續工作。
BIO：同步阻塞，從數據是否準備就緒到數據拷貝都是由用戶線程完成；
NIO：同步非阻塞，數據是否準備就緒由內核判斷，數據拷貝還是用戶線程完成；
AIO：異步非阻塞，數據是否準備就緒到數據拷貝都是內核來完成。
所以真正的異步IO一定是非阻塞的。
考點分析
我上面列出的回答是基於一種常見分類方式，即所謂的 BIO、NIO、NIO 2（AIO）。
在實際面試中，從傳統 IO 到 NIO、NIO 2，其中有很多地方可以擴展開來，考察點涉及方方面面，比如：
- 基礎 API 功能與設計， InputStream/OutputStream 和 Reader/Writer 的關係和區別。
- NIO、NIO 2 的基本組成。
- 給定場景，分別用不同模型實現，分析 BIO、NIO 等模式的設計和實現原理。
- NIO 提供的高性能數據操作方式是基於什麼原理，如何使用？
- 或者，從開發者的角度來看，你覺得 NIO 自身實現存在哪些問題？有什麼改進的想法嗎？
IO 的內容比較多，專欄一講很難能夠說清楚。IO 不僅僅是多路複用，NIO 2 也不僅僅是異步 IO，尤其是數據操作部分，會在專欄下一講詳細分析。
知識擴展
首先，需要澄清一些基本概念：
- 區分同步或異步（synchronous/asynchronous）。簡單來說，同步是一種可靠的有序運行機制，當我們進行同步操作時，後續的任務是等待當前調用返回，纔會進行下一步；而異步則相反，其他任務不需要等待當前調用返回，通常依靠事件、回調等機制來實現任務間次序關係。
- 區分阻塞與非阻塞（blocking/non-blocking）。在進行阻塞操作時，當前線程會處於阻塞狀態，無法從事其他任務，只有當條件就緒才能繼續，比如 ServerSocket 新連接建立完畢，或數據讀取、寫入操作完成；而非阻塞則是不管 IO 操作是否結束，直接返回，相應操作在後臺繼續處理。
不能一概而論認爲同步或阻塞就是低效，具體還要看應用和系統特徵。
對於 java.io，我們都非常熟悉，我這裏就從總體上進行一下總結，如果需要學習更加具體的操作，你可以通過教程等途徑完成。總體上，我認爲你至少需要理解：
- IO 不僅僅是對文件的操作，網絡編程中，比如 Socket 通信，都是典型的 IO 操作目標。
- 輸入流、輸出流（InputStream/OutputStream）是用於讀取或寫入字節的，例如操作圖片文件。
- 而 Reader/Writer 則是用於操作字符，增加了字符編解碼等功能，適用於從文件中讀取或者寫入文本信息。本質上計算機操作的都是字節，不管是網絡通信還是文件讀取，Reader/Writer出相當於構建了應用邏輯和原始數據之間的橋樑。
- BufferedOutputStream 等帶緩衝區的實現，可以避免頻繁的磁盤讀寫，進而提高 IO 處理效率。這種設計利用了緩衝區，將批量數據進行一次操作，但在使用中千萬別忘了 flush。
- 參考下面這張類圖，很多 IO 工具類都實現了 Closeable 接口，因爲需要進行資源的釋放。比如，打開 FileInputStream，它就會獲取相應的文件描述符（FileDescriptor），需要利用 try-with-resources、 try-finally 等機制保證 FileInputStream 被明確關閉，進而相應文件描述符也會失效，否則將導致資源無法被釋放。利用專欄前面的內容提到的 Cleaner 或 finalize 機制作爲資源釋放的最後把關，也是必要的。
下面是我整理的一個簡化版的類圖，闡述了日常開發應用較多的類型和結構關係。
1.Java NIO 概覽
首先，熟悉一下 NIO 的主要組成部分：
- Buffer，高效的數據容器，除了布爾類型，所有原始數據類型都有相應的 Buffer 實現。
- Channel，類似在 Linux 之類操作系統上看到的文件描述符，是 NIO 中被用來支持批量式 IO 操作的一種抽象。
File 或者 Socket，通常被認爲是比較高層次的抽象，而 Channel 則是更加操作系統底層的一種抽象，這也使得 NIO 得以充分利用現代操作系統底層機制，獲得特定場景的性能優化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同層次的抽象是相互關聯的，我們可以通過 Socket 獲取 Channel，反之亦然。
- Selector，是 NIO 實現多路複用的基礎，它提供了一種高效的機制，可以檢測到註冊在 Selector 上的多個 Channel 中，是否有 Channel 處於就緒狀態，進而實現了單線程對多 Channel 的高效管理。
Selector 同樣是基於底層操作系統機制，不同模式、不同版本都存在區別，例如，在最新的代碼庫裏，相關實現如下：
Linux 上依賴於epoll
（http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/linux/classes/sun/nio/ch/EPollSelectorImpl.java）。
Windows 上 NIO2（AIO）模式則是依賴於 iocp
（http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/d8327f838b88/src/java.base/windows/classes/sun/nio/ch/Iocp.java）。
- Chartset，提供 Unicode 字符串定義，NIO 也提供了相應的編解碼器等，例如，通過下面的方式進行字符串到 ByteBuffer 的轉換：
Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
2.NIO 能解決什麼問題？
下面我通過一個典型場景，來分析爲什麼需要 NIO，爲什麼需要多路複用。設想，我們需要實現一個服務器應用，只簡單要求能夠同時服務多個客戶端請求即可。
使用 java.io 和 java.net 中的同步、阻塞式 API，可以簡單實現。
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));
}
}
}
// 簡化實現，不做讀取，直接發送字符串
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();
}
}
}
其實現要點是：
- 服務器端啓動 ServerSocket，端口 0 表示自動綁定一個空閒端口。
- 調用 accept 方法，阻塞等待客戶端連接。
- 利用 Socket 模擬了一個簡單的客戶端，只進行連接、讀取、打印。
- 當連接建立後，啓動一個單獨線程負責回覆客戶端請求。
這樣，一個簡單的 Socket 服務器就被實現出來了。
思考一下，這個解決方案在擴展性方面，可能存在什麼潛在問題呢？
大家知道 Java 語言目前的線程實現是比較重量級的，啓動或者銷燬一個線程是有明顯開銷的，每個線程都有單獨的線程棧等結構，需要佔用非常明顯的內存，所以，每一個 Client 啓動一個線程似乎都有些浪費。
那麼，稍微修正一下這個問題，我們引入線程池機制來避免浪費。
serverSocket = new ServerSocket(0);
executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
executor.execute(requestHandler);
}
這樣做似乎好了很多，通過一個固定大小的線程池，來負責管理工作線程，避免頻繁創建、銷燬線程的開銷，這是我們構建併發服務的典型方式。這種工作方式，可以參考下圖來理解。
如果連接數並不是非常多，只有最多幾百個連接的普通應用，這種模式往往可以工作的很好。但是，如果連接數量急劇上升，這種實現方式就無法很好地工作了，因爲線程上下文切換開銷會在高併發時變得很明顯，這是同步阻塞方式的低擴展性劣勢。
NIO 引入的多路複用機制，提供了另外一種思路，請參考我下面提供的新的版本。
public class NIOServer extends Thread {
public void run() {
try (Selector selector = Selector.open();
// 創建 Selector 和 Channel
ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
serverSocket.configureBlocking(false);
// 註冊到 Selector，並說明關注點
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
selector.select();// 阻塞等待就緒的 Channel，這是關鍵點之一
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 生產系統中一般會額外進行就緒狀態檢查
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!"));
}
}
// 省略了與前面類似的 main
}
這個非常精簡的樣例掀開了 NIO 多路複用的面紗，我們可以分析下主要步驟和元素：
- 首先，通過 Selector.open() 創建一個 Selector，作爲類似調度員的角色。
- 然後，創建一個 ServerSocketChannel，並且向 Selector 註冊，通過指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告訴調度員，它關注的是新的連接請求。
注意，爲什麼我們要明確配置非阻塞模式呢？這是因爲阻塞模式下，註冊操作是不允許的，會拋出
IllegalBlockingModeException 異常。
- Selector 阻塞在 select 操作，當有 Channel 發生接入請求，就會被喚醒。
- 在 sayHelloWorld 方法中，通過 SocketChannel 和 Buffer 進行數據操作，在本例中是發送了一段字符串。
可以看到，在前面兩個樣例中，IO 都是同步阻塞模式，所以需要多線程以實現多任務處理。而 NIO 則是利用了單線程輪詢事件的機制，通過高效地定位就緒的 Channel，來決定做什麼，僅僅 select 階段是阻塞的，可以有效避免大量客戶端連接時，頻繁線程切換帶來的問題，應用的擴展能力有了非常大的提高。下面這張圖對這種實現思路進行了形象地說明。
在 Java 7 引入的 NIO 2 中，又增添了一種額外的異步 IO 模式，利用事件和回調，處理 Accept、Read 等操作。 AIO
實現看起來是類似這樣子：
AsynchronousServerSocketChannel serverSock = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(sockAddr);
serverSock.accept(serverSock, new CompletionHandler<>() { // 爲異步操作指定 CompletionHandler 回調函數
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel sockChannel, AsynchronousServerSocketChannel serverSock) {
serverSock.accept(serverSock, this);
// 另外一個 write（sock，CompletionHandler{}）
sayHelloWorld(sockChannel, Charset.defaultCharset().encode
("Hello World!"));
}
// 省略其他路徑處理方法...
});
鑑於其編程要素（如 Future、CompletionHandler 等），我們還沒有進行準備工作，爲避免理解困難，我會在專欄後面相關概念補充後的再進行介紹，尤其是 Reactor、Proactor 模式等方面將在 Netty 主題一起分析，這裏我先進行概念性的對比：
- 基本抽象很相似，AsynchronousServerSocketChannel 對應於上面例子中的 ServerSocketChannel；AsynchronousSocketChannel 則對應 SocketChannel。
- 業務邏輯的關鍵在於，通過指定 CompletionHandler 回調接口，在 accept/read/write 等關鍵節點，通過事件機制調用，這是非常不同的一種編程思路。
今天我初步對 Java 提供的 IO 機制進行了介紹，概要地分析了傳統同步 IO 和 NIO 的主要組成，並根據典型場景，通過不同的 IO
模式進行了實現與拆解。
