深入分析 Java I/O 的工作机制(网络 I/O 优化)

网络 I/O 优化

网络 I/O 优化通常有一些基本处理原则：

1. 一个是减少网络交互的次数：要减少网络交互的次数通常我们在需要网络交互的两端会设置缓存，比如 Oracle 的 JDBC 驱动程序，就提供了对查询的 SQL 结果的缓存，在客户端和数据库端都有，可以有效的减少对数据库的访问。关于 Oracle JDBC 的内存管理可以参考《 Oracle JDBC 内存管理》。除了设置缓存还有一个办法是，合并访问请求：如在查询数据库时，我们要查 10 个 id，我可以每次查一个 id，也可以一次查 10 个 id。再比如在访问一个页面时通过会有多个 js 或 css 的文件，我们可以将多个 js 文件合并在一个 HTTP 链接中，每个文件用逗号隔开，然后发送到后端 Web 服务器根据这个 URL 链接，再拆分出各个文件，然后打包再一并发回给前端浏览器。这些都是常用的减少网络 I/O 的办法。
2. 减少网络传输数据量的大小：减少网络数据量的办法通常是将数据压缩后再传输，如 HTTP 请求中，通常 Web 服务器将请求的 Web 页面 gzip 压缩后在传输给浏览器。还有就是通过设计简单的协议，尽量通过读取协议头来获取有用的价值信息。比如在代理程序设计时，有 4 层代理和 7 层代理都是来尽量避免要读取整个通信数据来取得需要的信息。
3. 尽量减少编码：通常在网络 I/O 中数据传输都是以字节形式的，也就是通常要序列化。但是我们发送要传输的数据都是字符形式的，从字符到字节必须编码。但是这个编码过程是比较耗时的，所以在要经过网络 I/O 传输时，尽量直接以字节形式发送。也就是尽量提前将字符转化为字节，或者减少字符到字节的转化过程。
4. 根据应用场景设计合适的交互方式：所谓的交互场景主要包括同步与异步阻塞与非阻塞方式，下面将详细介绍。

**同步与异步
**

所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。而异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。我们可以用打电话和发短信来很好的比喻同步与异步操作。

在设计到 IO 处理时通常都会遇到一个是同步还是异步的处理方式的选择问题。因为同步与异步的 I/O 处理方式对调用者的影响很大，在数据库产品中都会遇到这个问题。因为 I/O 操作通常是一个非常耗时的操作，在一个任务序列中 I/O 通常都是性能瓶颈。但是同步与异步的处理方式对程序的可靠性影响非常大，同步能够保证程序的可靠性，而异步可以提升程序的性能，必须在可靠性和性能之间做个平衡，没有完美的解决办法。

阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞主要是从 CPU 的消耗上来说的，阻塞就是 CPU 停下来等待一个慢的操作完成 CPU 才接着完成其它的事。非阻塞就是在这个慢的操作在执行时 CPU 去干其它别的事，等这个慢的操作完成时，CPU 再接着完成后续的操作。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

两种的方式的组合

组合的方式可以由四种，分别是：同步阻塞、同步非阻塞、异步阻塞、异步非阻塞，这四种方式都对 I/O 性能有影响。下面给出分析，并有一些常用的设计用例参考。

表 3. 四种组合方式

同步阻塞
最常用的一种用法，使用也是最简单的，但是 I/O 性能一般很差，CPU 大部分在空闲状态。
同步非阻塞
提升 I/O 性能的常用手段，就是将 I/O 的阻塞改成非阻塞方式，尤其在网络 I/O 是长连接，同时传输数据也不是很多的情况下，提升性能非常有效。 这种方式通常能提升 I/O 性能，但是会增加 CPU 消耗，要考虑增加的 I/O 性能能不能补偿 CPU 的消耗，也就是系统的瓶颈是在 I/O 还是在 CPU 上。
异步阻塞
这种方式在分布式数据库中经常用到，例如在网一个分布式数据库中写一条记录，通常会有一份是同步阻塞的记录，而还有两至三份是备份记录会写到其它机器上，这些备份记录通常都是采用异步阻塞的方式写 I/O。 异步阻塞对网络 I/O 能够提升效率，尤其像上面这种同时写多份相同数据的情况。
异步非阻塞
这种组合方式用起来比较复杂，只有在一些非常复杂的分布式情况下使用，像集群之间的消息同步机制一般用这种 I/O 组合方式。如 Cassandra 的 Gossip 通信机制就是采用异步非阻塞的方式。 它适合同时要传多份相同的数据到集群中不同的机器，同时数据的传输量虽然不大，但是却非常频繁。这种网络 I/O 用这个方式性能能达到最高。

虽然异步和非阻塞能够提升 I/O 的性能，但是也会带来一些额外的性能成本，例如会增加线程数量从而增加 CPU 的消耗，同时也会导致程序设计的复杂度上升。如果设计的不合理的话反而会导致性能下降。在实际设计时要根据应用场景综合评估一下。

下面举一些异步和阻塞的操作实例：

在 Cassandra 中要查询数据通常会往多个数据节点发送查询命令，但是要检查每个节点返回数据的完整性，所以需要一个异步查询同步结果的应用场景，部分代码如下：

清单 3.异步查询同步结果

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1class AsyncResult implements IAsyncResult{ 

2    private byte[] result_; 

3    private AtomicBoolean done_ = new AtomicBoolean(false); 

4    private Lock lock_ = new ReentrantLock(); 

5    private Condition condition_; 

6    private long startTime_; 

7    public AsyncResult(){        

8        condition_ = lock_.newCondition();// 创建一个锁

9        startTime_ = System.currentTimeMillis(); 

10    }    

11 /*** 检查需要的数据是否已经返回，如果没有返回阻塞 */ 

12 public byte[] get(){ 

13        lock_.lock(); 

14        try{ 

15            if (!done_.get()){condition_.await();} 

16        }catch (InterruptedException ex){ 

17            throw new AssertionError(ex); 

18        }finally{lock_.unlock();} 

19        return result_; 

20 } 

21 /*** 检查需要的数据是否已经返回 */ 

22    public boolean isDone(){return done_.get();} 

23 /*** 检查在指定的时间内需要的数据是否已经返回，如果没有返回抛出超时异常 */ 

24    public byte[] get(long timeout, TimeUnit tu) throws TimeoutException{ 

25        lock_.lock(); 

26        try{            boolean bVal = true; 

27            try{ 

28                if ( !done_.get() ){ 

29           long overall_timeout = timeout - (System.currentTimeMillis() - startTime_); 

30                    if(overall_timeout > 0)// 设置等待超时的时间

31                        bVal = condition_.await(overall_timeout, TimeUnit.MILLISECONDS); 

32                    else bVal = false; 

33                } 

34            }catch (InterruptedException ex){ 

35                throw new AssertionError(ex); 

36            } 

37            if ( !bVal && !done_.get() ){// 抛出超时异常

38                throw new TimeoutException("Operation timed out."); 

39            } 

40        }finally{lock_.unlock();      } 

41        return result_; 

42 } 

43 /*** 该函数拱另外一个线程设置要返回的数据，并唤醒在阻塞的线程 */ 

44    public void result(Message response){        

45        try{ 

46            lock_.lock(); 

47            if ( !done_.get() ){                

48                result_ = response.getMessageBody();// 设置返回的数据

49                done_.set(true); 

50                condition_.signal();// 唤醒阻塞的线程

51            } 

52        }finally{lock_.unlock();}        

53    }    

54 } 

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总结

本文阐述的内容较多，从 Java 基本 I/O 类库结构开始说起，主要介绍了磁盘 I/O 和网络 I/O 的基本工作方式，最后介绍了关于 I/O 调优的一些方法。

参考资料

学习

• 查看文章 《深入分析Java中文编码问题》（developerWorks，2011 年 7 月）：详细介绍 Java 中编码问题出现的根本原因，你将了解到：Java 中经常遇到的几种编码格式的区别；Java 中经常需要编码的场景；出现中文问题的原因分析；在开发 Java web 程序时可能会存在编码的几个地方，一个 HTTP 请求怎么控制编码格式？如何避免出现中文问题？ 

• 《Oracle JDBC内存管理》：这里详细分析 Oracle JDBC 内存管理的处理方式。 

• 《Jetty 的工作原理和与 Tomcat 的比较》：这里介绍了 Jetty 是如何使用 NIO 技术处理 HTTP 连接请求的，以及与 Tomcat 处理有何不同之处。 

• Java I/O Performance：sun.com 上的文章，介绍了一些 I/O 调优的基本方法。 

• Java NIO.2：这里介绍了 JDK7 里面的新的 I/O 技术，可以参考学习下。 

• Understanding Disk I/O：这里介绍了一点关于磁盘 I/O 一些检测和调优方法，本文也引用了一些知识点。 

• developerWorks Java 技术专区：这里有数百篇关于 Java 编程各个方面的文章。 

讨论

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地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-javaio/