第2章 NIO入门

传统的BIO编程：主要的问题在于每当有一个新的客户端请求介入时，服务端必须创建一个新的线程处理新接入的客户端链路，一个线程只能处理一个客户端连接。在高性能服务器应用领域，往往需要面向成千上万个客户端的并发连接，这种模型显然无法满足高性能、高并发接入 的场景。

伪异步I/O编程：为了改进一线程一连接模型，后来又演进处了一种通过线程池或者消息队列实现1个或者多个线程处理N个客户端的模型，由于它的底层通信机制依然使用同步阻塞I/O，所以被称为“伪异步”。

弊端分析：读和写都是同步阻塞的，阻塞的时间取决于对方I/O线程的处理速度和网络I/O的传输速度。本质上来讲，无法保证生产环境的网络状况和对端的应用程序能足够快，如果我们的应用程序依赖对方的处理速度，它的可靠性就非常差。也许在实验室进行的性能测试结果令人满意，但是一旦上线运行，面对恶劣的网络环境和良莠不齐的第三方系统，问题就会如火山一样喷发。

例如：当通信对方返回应答时间过长会引起的级联故障如下

1. 服务端处理缓慢，返回应答消息耗费60s， 平时只需要10ms。
2. 采用伪异步I/O的线程正在读取故障服务节点的响应，由于读取输入流是阻塞的，它将会被同步阻塞60s。
3. 假如所有的可用线程都被故障服务器阻塞，那后续所有的I/O消息都将在队列中排队。
4. 由于线程池采用阻塞队列实现，当队列积满之后，后续入队列的操作将被阻塞。
5. 由于前端只有一个Accptor线程接收客户端接入，它被阻塞在线程池的同步阻塞队列之后，新的客户端请求消息将被拒绝，客户端会发生大量的连接超时。
6. 由于几乎所有的连接都超时，调用者会认为系统已经崩溃，无法接收新的请求消息。

NIO编程

缓冲区Buffer：Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者读出的数据。在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的（区别于面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中）。缓冲区实质上是一个数组，并提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。

通道Channel：像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动，而通道可以用于读、写或者是二者同时进行。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

多路复用器Selector（NIO关键）：多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel,由于JDK使用了epoll()代替传统的select 实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端，这确实是个非常巨大的进步。

NIO编程的优点：

1. 客户端发起的连接操作是异步的，可以通过在多路复用器注册OP_ _CONNECT等待后续结果，不需要像之前的客户端那样被同步阻塞。
2. SocketChannel 的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待, 直接返回，这样I/O通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用。
3. 线程模型的优化:由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制(只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制)，这意味着一个Selector 线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降。因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

AIO编程

NIO 2.0 引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。异步通道提供以下两种方式获取获取操作结果。

1. 通 过java.util.concurrent.Future类来表示异步操作的结果;
2. 在执行异步操作的时候传入一个java.nio.channels 。

CompletionHandler接口的实现类作为操作完成的回调。

NIO2.0的异步套接字通道是真正的异步非阻塞I/O,对应于UNIX网络编程中的事件驱动I/O(AIO)。它不需要通过多路复用器(Selector)对注册的通道进行轮询操作即可实现异步读写，从而简化了NIO的编程模型。