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BIO

一、重要概念解析

1. 阻塞 IO 与 非阻塞 IO
  • 定义：程序级别的概念，描述程序在请求操作系统执行 IO 操作后，若 IO 资源未准备好时的处理方式。
  • 阻塞 IO：
    • 程序等待，直到 IO 资源准备好并完成操作。
    • 示例：调用 read() 时，若数据未就绪，线程暂停。
  • 非阻塞 IO：
    • 程序不等待，立即返回（通常返回错误码），通过轮询检查 IO 是否完成。
    • 示例：线程反复调用 read() 检查数据状态。
  • 关键区别：阻塞等待 vs 非阻塞轮询。
2. 同步 IO 与 异步 IO
  • 定义：操作系统级别的概念，描述操作系统在收到 IO 请求后，若资源未就绪时的响应方式。
  • 同步 IO：
    • 操作系统不立即响应，程序需等待资源就绪。
    • 示例：accept() 或 read() 阻塞至数据到达。
  • 异步 IO：
    • 操作系统立即返回标记（如文件描述符），资源就绪后通过事件机制通知程序。
    • 示例：aio_read() 返回后，数据准备好时通知。
  • 关键区别：同步需等待 vs 异步立即返回并回调。

二、传统 BIO 通信方式简介

  • 定义：传统阻塞式 IO（BIO，Blocking IO）通信方式。
  • 特点：
    • 客户端：发出请求后等待服务器响应，无法执行其他任务。
    • 服务器端：单线程处理请求时，其他客户端请求需排队等待。
  • 典型场景：
    • 客户端 A 请求，服务器处理 A 时，客户端 B 请求被阻塞。
BIO 的问题
  • 并发性差：
    • 服务器单线程一次只能处理一个客户端请求。
    • 高并发下，客户端请求排队严重影响效率。
  • 资源限制：
    • 单线程无法应对多个同时到达的请求。

三、多线程方式（伪异步方式）

  • 改进思路：
    • 服务器端：主线程接收请求后，将业务处理交给独立线程，主线程继续接收其他请求。
    • 客户端：使用子线程与服务器通信，主线程不受阻塞，子线程通过监听/观察模式获取响应。
  • 优点：
    • 客户端主线程可继续工作。
    • 服务器端业务处理并行化。
多线程的局限性
  1. 接受请求仍阻塞：
    • accept() 仍为单线程顺序执行，无法并行接收多个客户端请求。
    • 业务处理虽多线程化，但数据接收仍串行。
  2. 线程资源限制：
    • Linux 下线程数有限（查看：cat /proc/sys/kernel/threads-max）。
    • 线程切换开销随数量增加而增大，CPU 用于业务的时间减少。
  3. 资源消耗：
    • JVM 创建线程需分配堆栈空间（默认 128K，可通过 -Xss 调整）。
    • 线程池虽缓解创建开销，但任务积压仍消耗内存。

  4. 长连接问题：

    • 长连接下线程不释放，资源占用失控。

  5. 结论：多线程仅优化业务处理，未解决 accept() 和 read() 的阻塞问题，不是高并发的根本解决方案。

四、BIO 通信方式深入分析

问题根源
  • 核心：BIO 的阻塞性源于 accept() 和 read() 的操作系统级同步 IO 实现，而非是否使用多线程。
  • 验证方法：
    • 模拟 20 个客户端并发请求，观察服务器单线程和多线程的表现。
实验代码分析
  1. 客户端代码：
    • SocketClientDaemon：启动 20 个线程模拟客户端。
    • SocketClientRequestThread：使用 CountDownLatch 确保 20 个客户端同时发送请求。
    • 行为：连接服务器，发送请求，等待响应。
  2. 单线程服务器（SocketServer1）：
    • 使用 serverSocket.accept() 接收请求，顺序处理。
    • 日志显示：请求逐一被接收和处理。
  3. 多线程服务器（SocketServer2）：
    • 主线程 accept() 接收请求，创建线程处理业务。
    • 日志显示：accept() 仍顺序执行，业务处理并行。
实验结果
  • 单线程：20 个请求按序处理，效率低。
  • 多线程：
    • 接收仍串行（accept() 阻塞）。
    • 处理并行，但未解决根本阻塞问题。

五、阻塞原因解析

  • 操作系统支持：
    • accept() 和 read() 的阻塞性依赖操作系统同步 IO 实现。
  • 工作原理：
    • 服务器调用 accept()，询问操作系统是否有新连接。
    • 若无连接，操作系统等待，accept() 阻塞。
    • ServerSocket.accept()：监听连接并接受，阻塞直到连接建立。
    • 操作系统未返回数据，线程挂起等待。

六、总结

  • BIO 核心问题：
    • accept() 和 read() 的阻塞性限制了并发能力。
  • 多线程局限：
    • 仅优化业务处理，接收仍串行，资源消耗大。
  • 解决方向：
    • 异步 IO 或 IO 多路复用（如 NIO）可突破阻塞限制。