一文彻底理解BIO、NIO、AIO

作者: 醉鱼java | 来源:发表于2022-07-16 22:51 被阅读0次

IO模型

BIO

同步并阻塞，服务器实现模式为一个链接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销

NIO

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理

AIO(NIO 2)

异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是有OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

BIO深入剖析

JAVA BIO 基本介绍

单客户端对单服务端，发送单条信息

Server

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket socket = new ServerSocket(8888);
            Socket accept = socket.accept();
            InputStream inputStream = accept.getInputStream();
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            String msg = "";
            while ((msg = bufferedReader.readLine())!=null){
                System.out.println("服务端收到消息："+msg);
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }


    }
}

Client

public class BioClient {
    public static void main(String[] args){
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            PrintStream p = new PrintStream(outputStream);
            p.println("hello server!");
            p.flush();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

单客户端对单服务端，发送多条消息

Server

public class BioClient {
    public static void main(String[] args){
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true){
                System.out.println("请输入:");
                String next = scanner.next();
                PrintStream p = new PrintStream(outputStream);
                p.println(next);
                p.flush();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

Client

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket socket = new ServerSocket(8888);
            Socket accept = socket.accept();
            InputStream inputStream = accept.getInputStream();
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            String msg = "";
            while ((msg = bufferedReader.readLine())!=null){
                System.out.println("服务端收到消息："+msg);
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }


    }
}

多客户端对单服务端，发送多条消息

Server

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket socket = new ServerSocket(8888);
            while (true){
                Socket accept = socket.accept();
                new ServerSocketThread(accept).start();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }


    }
}

Client

public class BioClient {
    public static void main(String[] args){
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1",8888);
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true){
                System.out.println("请输入:");
                String next = scanner.next();
                PrintStream p = new PrintStream(outputStream);
                p.println(next);
                p.flush();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

Thread

public class ServerSocketThread extends Thread{
    private Socket socket;
    public ServerSocketThread(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            String msg = "";
            while ((msg = bufferedReader.readLine())!=null){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":服务端收到消息："+msg);
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

小结

每个Socket接收到，都会创建一个线程，线程的竞争，切换上下文影响性能
每个线程都会占用栈空间和CPU资源
并不是每个Socket都进行IO操作，无意义的线程处理
客户端的并发访问增加时，服务器将呈现1:1的线程开销；访问量大，系统将发生线程栈溢出，线程创建失败，最终导致进程当即或者僵死，从而不能对外提供服务

伪异步I/O编程

在上面的例子中，客户端的并发访问增加时，系统服务端将呈现1:1的线程开销，访问量越大系统将发生线程栈溢出，线程创建失败，最终导致进程当即或者僵死，从而不能对外提供服务

接下来我们采用一个伪异步的I/O的通信框架，采用线程池和任务队列实现，当客户端接入时，将客户端的Socket封装成一个Task交给后端的线程池进行处理。JDK的线程池维护一个消息队列和N个活跃的线程，对消息队列中Socket任务进行处理，由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此，它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。如下图所示

客户端代码实现

Server

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            HandlerSocketServerPool pool = new HandlerSocketServerPool(3,10);
            while (true){
                Socket accept = serverSocket.accept();
                Runnable runnable = new ServerRunnableTarget(accept);
                pool.execute(runnable);
            }

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ServerRunnableTarget

public class ServerRunnableTarget  implements Runnable{
    private Socket socket;


    public  ServerRunnableTarget(Socket socket){
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
            String msg ;
            while ((msg = br.readLine())!=null){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"收到消息:"+msg);
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

HandlerSocketServerPool

public class HandlerSocketServerPool {
    // 1.创建一个线程池的成员变量用于存储一个线程池对象
    private ExecutorService executorService;

    /**
     * 创建这个类的对象的时候需要初始化线程池对象
     * @param maxThreadNum
     * @param queueSize
     */
    public HandlerSocketServerPool(int maxThreadNum,int queueSize){
        executorService = new ThreadPoolExecutor(3,maxThreadNum,120, TimeUnit.SECONDS,new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize));
    }

    /**
     * 提供一个方法来提交任务到线程池的任务队列来暂存，等着线程执行
     * @param runnable
     */
    public void execute(Runnable runnable){
        executorService.execute(runnable);
    }
}

Client

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true) {
                System.out.println("请输入:");
                String next = scanner.next();
                PrintStream p = new PrintStream(outputStream);
                p.println(next);
                p.flush();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

小结

伪异步IO采用线程池的实现，因此避免了为每个请求创建一个独立线程造成线程资源耗尽的问题，但由于底层依然是采用的同步阻塞模型，因此无法从根本上解决问题
如果单个消息处理的缓慢，或者服务器线程池中的全部线程都被阻塞，那么后续Socket的IO消息都将在队列中排队。新的Socket请求都将被拒绝，客户端会发生大量连接超时

NIO

基本介绍

JAVA NIO（New IO）也有人称之为 Java non-blocking IO 是从Java 1.4版本开始引入的IO API，可以替代标准的JAVA IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的，基于通道的IO操作，NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。NIO可以理解为非阻塞IO，传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其它事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式
NIO 相关类都放在java.nio包及子包下，并且对原java.io包中的很多类进行改写
NIO 有三大核心部分，Channel(通道),Buffer(缓冲区),Selector(选择器)
Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情，非阻塞写也是如此，一个线程请求斜日一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情
通俗理解，NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的，假设有1000个请求过来，根据实际情况，可以分配20或者80个线程来处理，不像之前的阻塞IO那样，非得分配1000个

NIO和BIO的比较

BIO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据，块IO的效率比流IO高很多
BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的
BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channle(通道)和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中，Selecter(选择器)用于监听多个通道的事件(比如: 连接请求，数据到达)，因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

NIO	BIO
面向缓冲区(Buffer)	面向流(Stream)
非阻塞(Non Blocking IO)	阻塞IO(Blocking IO)
选择器(Selectors)

NIO 三大核心

NIO有三大核心部分：Channel(通道),Buffer(缓冲区),Selector(选择器)

Buffer 缓冲区

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存，这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。相比较直接对数组的操作，Buffer API更加容易操作和管理

Channel 通道

Java NIO的通道类似流，但又有些不同，既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的(input,output)读写通常是单向的。通道可以非阻塞读取和写入通道，通道可以支持读取或者写入缓冲区，也支持异步的读写

Selector 选择器

Selector是一个Java NIO的组件，能够检测出一个或者多个的NIO通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或者写入，这样的话，一个单独的线程就可以管理多个Channel，从而管理多个网络连接，提高效率

每个Channel 都会对应一个Buffer
一个线程对应Selector，一个Selector对应多个Channel连接
程序切换到哪个Channel是由事件决定的
Selector会根据不同的事件，在各个通道上切换
Buffer就是一个内存块，底层是一个数组
数据的读取写入是可以通过Buffer完成的，BIO中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是NIO的Buffer是可以读也可以写
Java NIO系统的核心在于：通道Channel和缓冲区Buffer。通道表示打开到IO设备(例如：文件、套接字)的连接，若需要使用NIO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区，然后操作缓冲区对数据进行处理。一句话就是Channel负责传输，Buffer负责存取数据

NIO核心一：缓冲区Buffer

缓冲区Buffer

一个用于特定基本数据类型的容器，由java.nio包定义的，所有缓冲区都是Buffer抽象类的子类。Java NIO中的Buffer主要用于与NIO通道的交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的

Buffer类及其子类

Buffer就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型的不同，有以下Buffer常用子类

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

上述Buffer类都是采用的相似的方法进行管理数据，只是各自管理的数据类型不同而已，他们都是通过如下方法获取一个Buffer对象

static xxxBuffer allocate(int capacity);//创建一个容量为capacity的xxxBuffer对象

缓冲区的基本属性

Buffer中的重要概念

容量(capacity):作为一个内存块，Buffer具有一定的固定大小，也称为容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改
限制(limit):表示缓冲区中可以操作数据的大小(limit后不能进行数据的读写)。缓冲区限制不能为负，并且不能大于其容量。写入模式，限制等于buffer的容量，读取模式下，limit等于写入的数据量
位置(position):下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制
标记(mark)与重置(reset):标记是一个索引，通过Buffer中的mark()方法指定Buffer中一个特定的position，之后可以通过调用reset方法恢复到这个position

标记、位置、限制、容量遵守一下不等式：0<=mark<=position<=limit<=capacity
图示如下：

1、通过allocate(分配容量为10的缓冲区)

2、调用put方法写入5个数据到缓冲区

3、通过flip切换读数据模式

Buffer常见方法

Buffer clear();// 清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip();// 为将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置重制为0
int capacity();// 返回Buffer的capacity大小
boolean hasRemaining();// 判断缓冲区是否还有元素
int limit();// 返回Buffer的界限(limit)的位置
Buffer limit(int n);// 将设置缓冲区界限为n，并返回一个具有新limit的缓冲区对象
Buffer mark();//对缓冲区设置标记
int position();// 返回缓冲区的当前位置position
Buffer position(int n);// 将设置缓冲区的当前位置为n，并返回修改后的Buffer对象
int remaining();//返回position和limit之间的元素个数
Buffer reset();//将位置position转到以前设置的mark所有的位置
Buffer rewind();// 将位置设为0，取消设置的mark

缓冲区的数据操作

// Buffer 所有的子类都提供了两个用于数据操作的方法;get()和put()
// 取数据
get();// 读取单个字节
get(byte[] dst);// 批量读取多个字节到dst中
get(int index);// 读取指定索引位置的字节(不会移动position)
// 存数据
put();// 将给定的单个字节写入缓冲区的当前位置
put(byte[] src);// 将src中的字节写入缓冲区的当前位置
put(int index,byte b);// 将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动position)

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤

写入数据到Buffer
调用flip()方法，转换为读模式
从Buffer中读取数据
调用buffer.clear()方法或者buffer.compact()方法清除缓冲区

代码测试

public class BufferTest {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println(buffer.position());//0
        System.out.println(buffer.limit());//10
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");
        buffer.put("zuiyu".getBytes());
        System.out.println(buffer.position());//5
        System.out.println(buffer.limit());//10
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");

        buffer.flip();
        System.out.println(buffer.position());//0
        System.out.println(buffer.limit());//5
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");

        char ch = (char)buffer.get();
        System.out.println(ch);
        System.out.println(buffer.position());//1
        System.out.println(buffer.limit());//5
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");

        buffer.clear();
        System.out.println(buffer.position());//0
        System.out.println(buffer.limit());//10
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println((char)buffer.get());//z
        System.out.println("=============");

        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);
        buf.put("zuiyu".getBytes());
        buf.flip();
        byte[] b = new byte[2];
        buf.get(b);
        String rs = new String(b);
        System.out.println(rs);
        System.out.println(buffer.position());//1
        System.out.println(buffer.limit());//10
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");

        buf.mark();
        byte[] b2 =new byte[3];
        buf.get(b2);
        System.out.println(new String(b2));
        System.out.println(buffer.position());//1
        System.out.println(buffer.limit());//10
        System.out.println(buffer.capacity());//10
        System.out.println("=============");

        buf.reset();
        if (buf.hasRemaining()){
            System.out.println(buf.remaining());//3
        }
    }
}

直接与非直接缓冲区

什么是直接内存与非直接内存

根据官方文档的描述：

byte buffer可以是两种类型，一种是基于直接内存(也就是非堆内存)；另一种是非直接内存(也就是堆内存)。对于直接内存来说，JVM将会在IO操作上具有更高的性能，因为它直接作用于本地系统的IO操作。而非直接内存，也就是堆内存中的数据如果要做IO操作，会先从本进程内存复制到直接内存，在利用本地IO处理。

从数据流的角度，非直接内存是下面这样的作用连

本地IO => 直接内存 => 非直接内存 => 直接内存 => 本地IO

直接内存是

本地IO => 直接内存 => 本地IO

通过上面对比很明显可以看出，在做IO处理时，比如网络发送大量数据时，直接内存会具有更高的效率，直接内存使用allocateDirect创建，但是它比申请普通的堆内存需要耗费更高的性能。不过，这部分的数据是在JVM之外的，因此它不会占用应用的内存。所以呢，当你有很大的数据要缓存，并且它的生命周期又很长，那么就比较适合使用直接内存。只是一般来说，如果不是能带来明显的性能提升，还是推荐使用堆内存。字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可以通过调用其isDirect()方法来确定

NIO核心二：通道Channel

通道Channel

通道Channel：由java.nio.channels包定义的，Channel表示IO源与目标打开的连接。Channel类似于传统的流，只不过Channel本身不能直接访问数据，Channel只能于Buffer进行交互

1、NIO的通道类似与流，但是还有区别的：

通道可以同时进行读写，而流只能读或者写
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲区读数据们也可以写数据到缓冲

2、BIO中的stream是单向的，例如FileInputStream对象只能进行读取数据的操作，而NIO的通道Channel是双向的，可以读也可以写

3、Channel在NIO中是一个接口

public interface Channel extends Closeable{}

常用的Channel实现类

FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道
DatagramChannel：通过UDP读写网络中的数据通道
SocketChannel：通过TCP读写网络中的数据
ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。【ServerSocketChannel类似ServerSocket，SocketChannel类似Socket】

FileChannel 类

获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel()方法，支持通道的类如下：

FileInputStream
FileOutputStream
RandomAccessFile
DatagramSocket
Socket
ServerSocket

获取通道的其他方式是使用Files类的静态方法newByteChannel()获取字节通道。或者通过通道的静态方法open()打开并返回指定通道

FileChannel的常用方法

int read(ByteBuffer dst);// 从Channel中读取数据到ByteBuffer
long read(ByteBuffer[] dsts);//将Channel中的数据分散到ByteBuffer[]中
int write(ByteBuffer src);// 将ByteBuffer中的数据写入到Channel
long write(ByteBuffer[] srcs);// 将ByteBuffer[]中的数据聚集到Channel
long position();//返回此通道的文件位置
FileChannel position(long p);// 设置此通道的文件位置
long size();// 返回此通道的文件的当前大小
FileChannel truncate(long s);// 将此通道的文件截取为指定大小s
void force(boolean metaData);//强制将所有对此通道的文件更新写入到存储设备中

本地文件写入数据

@Test
    public void write(){
        try {
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
            FileChannel channel = fos.getChannel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hello zuiyu!".getBytes());
            buffer.flip();
            channel.write(buffer);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

本地文件读取数据

    @Test
    public void read() throws Exception{
        FileInputStream is = new FileInputStream("test.txt");
        FileChannel channel = is.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();
        String rs = new String(buffer.array(),0,buffer.remaining());
        System.out.println(rs);
    }

使用Buffer完成文件的复制

 @Test
    public void copy()throws Exception{
        File srcFile  =new File("test.txt");
        File destFile  =new File("test_copy.txt");

        FileInputStream fis = new FileInputStream(srcFile);
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destFile);
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        FileChannel fosChannel = fos.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        while (true){
            // 必须清空缓冲区，然后在写入数据到缓冲区
            buffer.clear();
            // 开始读取一次数据
            int flag = fisChannel.read(buffer);
            if (flag == -1){
                break;
            }
            // 已经读取数据，切换缓冲区模式为可读模式
            buffer.flip();
            fosChannel.write(buffer);
        }
        fisChannel.close();
        fosChannel.close();
        System.out.println("文件复制完成！");
    }

基于分散(scatter)和聚集(gather)

分散读取(scatter): 是指把Channel通道的数据读入到多个缓冲区中去

聚集写入(gather): 是指将多个buffer中的数据聚集到Channel中

 @Test
    public void buffersTest() throws Exception{
        // 1、字节输入管道
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        // 2、字节输出管道
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test02.txt");
        FileChannel fosChannel = fos.getChannel();
        // 3、定义多个缓冲区做数据分散
        ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4);
        ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(1024);
        ByteBuffer[] buffers  = {buffer1,buffer2};
        // 4、从通道中读取数据分散到各个缓冲区
        fisChannel.read(buffers);
        for (ByteBuffer buffer : buffers) {
            // 切换读数据模式
            buffer.flip();
            System.out.println(new String(buffer.array(),0,buffer.remaining()));
        }
        // 聚集写入到通道
        fosChannel.write(buffers);
        fisChannel.close();
        fosChannel.close();
        System.out.println("文件复制完成");
    }

transferFrom

从目标通道中去复制原通道数据

@Test
    public void transferFormTest() throws Exception{
        // transferFrom 从目标通道中去复制原通道数据
        // 1、字节输入管道
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        // 2、字节输出管道
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test03.txt");
        FileChannel fosChannel = fos.getChannel();
        fosChannel.transferFrom(fisChannel,fisChannel.position(),fisChannel.size());
        fisChannel.close();
        fosChannel.close();
        System.out.println("文件复制完成:transferFrom");
    }

transferTo

从源通道数据复制到目标通道

 @Test
    public void transferToTest() throws Exception{
        // transferTo 从原数据通道复制到目标通道
        // 1、字节输入管道
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
        FileChannel fisChannel = fis.getChannel();
        // 2、字节输出管道
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test04.txt");
        FileChannel fosChannel = fos.getChannel();
        fisChannel.transferTo(fisChannel.position(),fisChannel.size(),fosChannel);
        fisChannel.close();
        fosChannel.close();
        System.out.println("文件复制完成:transferTo");
    }

NIO核心三：选择器Selector

选择器Selector

选择器(Selector)是SelectableChannel对象的多路复用器，Selector可以同时监控多个SelectableChannel的IO状况，利用Selector可使一个单独的线程管理多个Channel。Selector是非阻塞的IO的核心

Java的NIO，用非阻塞的IO方式，可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)
Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意：多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理，这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求
只有在连接/通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大的减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程
避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

选择器(Selector)的应用

创建Selector：通过调用Selector.open()方法创建一个Selector

Selector selector = Selector.open();

向选择器注册通道：SekectableChannel.register(Selector sel,int ops)

// 获取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
// 切换非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);
// 绑定连接
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
// 获取选择器
Selector selector = Selector.open();
// 将通道注册到选择器上，并且指定监听接收事件
ssChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCRPT);

当调用register(Selector sel,int ops)将通道注册到选择器时，选择器对通道的监听事件，需要通过第二个参数ops指定，可以监听到事件类型(可以使用SelectionKey的四个常量表示)

读：Selection.OP_READ（1）
写：SelectionKey.OP_WRITE（4）
连接：SelectionKey.OP_CONNECT（8）
接收：SelectionKey.OP_ACCEPT（16）
若注册时不止监听一个事件，则可以使用"位或"操作符连接
```
int interestSet = SelectionKey.OP_READ|SelectionKey.OP_WRITE
```

NIO 非阻塞式网络通信原理分析

Selector示意图和特点说明

Seector可以实现：一个IO线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞IO一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升

服务端流程

当客户端连接服务器端时，服务端会通过ServerSocketChannel得到SocketChannel
```
// 获取通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
```

切换非阻塞模式

// 切换非阻塞模式
ssChannel.configureBlocking(false);

绑定连接

// 绑定连接
ssChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));

获取选择器

// 获取选择器
Selector selector = Selector.open();

将通道注册到选择器上，并且指定监听接收事件

// 将通道注册到选择器上，并且指定监听接收事件
ssChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCRPT);

轮询式的获取选择器上已经准备就绪的事件

 while (iterator.hasNext()){
                // 拿到当前事件
                SelectionKey sk = iterator.next();
                // 判断当前事件是什么类型
                if (sk.isAcceptable()){
                    // 获取当前接入的客户端通道
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 配置非阻塞模式
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 将本客户端通道注册到选择器
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                }else if (sk.isReadable()){
                    // 获取当前选择器上 《读》 就绪事件
                    SocketChannel channel =(SocketChannel) sk.channel();
                    // 读取数据
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len =0;
                    while ((len = channel.read(buffer))>0){
                        buffer.flip();
                        System.out.println(new String(buffer.array(),0,len));
                        // 清除之前的数据
                        buffer.clear();
                    }
                }
                iterator.remove();
            }

客户端流程

获取通道

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(8888));

切换非阻塞模式

        socketChannel.configureBlocking(false);

分配指定大小的缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

发送数据给服务端

 Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true){
            System.out.println("请说：");
            String msg = sc.nextLine();
            buffer.put(("zuiyu:"+msg).getBytes());
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();
        }

服务端代码实现

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws  Exception{
        // 获取通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 配置非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 绑定连接端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 获取选择器
        Selector selector = Selector.open();
        // 将通道注册到选择器上，并且指定监听接收事件
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 使用Selector选择器轮询已经就绪的事件
        while (selector.select()>0){
            System.out.println("开始轮询获取事件");
            // 获取选择器中所有已经就绪好的事件
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            // 开始遍历事件
            while (iterator.hasNext()){
                // 拿到当前事件
                SelectionKey sk = iterator.next();
                // 判断当前事件是什么类型
                if (sk.isAcceptable()){
                    // 获取当前接入的客户端通道
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    // 配置非阻塞模式
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 将本客户端通道注册到选择器
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                }else if (sk.isReadable()){
                    // 获取当前选择器上 《读》 就绪事件
                    SocketChannel channel =(SocketChannel) sk.channel();
                    // 读取数据
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int len =0;
                    while ((len = channel.read(buffer))>0){
                        buffer.flip();
                        System.out.println(new String(buffer.array(),0,len));
                        // 清除之前的数据
                        buffer.clear();
                    }
                }
                iterator.remove();
            }
        }

    }
}

客户端代码实现

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 获取通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(8888));
        // 配置非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 分配指定缓冲区大小
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 发送数据到服务端
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true){
            System.out.println("请说：");
            String msg = sc.nextLine();
            buffer.put(("zuiyu:"+msg).getBytes());
            buffer.flip();
            socketChannel.write(buffer);
            buffer.clear();
        }
    }
}

网络编程应用实例-群聊系统

目标

需求：近一步理解NIO非阻塞网络编程机制，实现多人群聊

编写一个NIO群聊系统，实现客户端与客户端的通信需求(非阻塞)
服务器端：可以检测用户上线、下线、并实现消息转发功能
客户端：通过channel可以无阻塞的发送消息到系统中的其他客户端用户，同时可以接收其他客户端用户通过服务端转发来的消息

服务端代码实现

public class Server {
    // 定义成员属性，选择器，服务端通道，端口
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private static final int PORT = 8888;

    public Server(){
        try {
            // 创建选择器对象
            selector = Selector.open();
            // 获取通道
            serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定客户端连接的端口
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));
            // 设置非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            // 把通道注册到选择器上去，并且开始指定接收连接事件
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建服务端对象
        Server server = new Server();
        // 开始监听客户端的各种消息事件，连接、群聊消息、离线消息
        server.listen();
    }

    /**
     * 开始监听
     */
    private void listen() {
        try {
            while (selector.select()>0){
                // 获取选择器中所有注册通道的就绪事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                // 遍历事件
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey sk = iterator.next();
                    // 判断事件的类型
                    if (sk.isAcceptable()){
                        // 获取当前客户端通道
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

                    } else if (sk.isReadable()) {
                        readClientData(sk);
                    }
                    iterator.remove();
                }

            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void readClientData(SelectionKey sk) {
        SocketChannel socketChannel = null;
        try {
            socketChannel = (SocketChannel) sk.channel();
            // 创建缓冲区对象开始接收客户端通道的数据
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int read = socketChannel.read(buffer);
            if (read>0){
                buffer.flip();
                String msg = new String(buffer.array(),0,buffer.remaining());
                System.out.println("接收到客户端消息:"+msg);
                // 把这个消息推送到全部客户端接收
                sendMsgToAllClient(msg,socketChannel);
            }
        }catch (Exception e){
            try {
                System.out.println("有人离线："+socketChannel.getRemoteAddress());
                // 当前客户端离线
                sk.cancel();// 取消注册
                socketChannel.close();
            }catch (Exception e1){
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

    /**
     * 把当前客户端的消息数据推送到当前全部在线注册的channel
     * @param msg
     * @param socketChannel
     */
    private void sendMsgToAllClient(String msg, SocketChannel socketChannel) throws Exception{
        System.out.println("服务端开始转发消息:"+Thread.currentThread().getName());
        for (SelectionKey key : selector.keys()) {
            SelectableChannel channel = key.channel();
            if (channel instanceof SocketChannel && !(channel==socketChannel)){
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                ((SocketChannel)channel).write(byteBuffer);
            }
        }
    }

}

客户端代码实现

public class Client {
    // 定义客户端相关参数
    private Selector selector;
    private static int PORT = 8888;
    private SocketChannel socketChannel;

    // 初始化客户端
    public Client(){
        try {
            // 创建选择器
            selector = Selector.open();
            // 连接服务端
            socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1",PORT));
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            System.out.println("客户端准备完成:"+Thread.currentThread().getName());
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }


    }
    public static void main(String[] args) {
        Client client = new Client();
        // 设置一个线程专门负责监听服务端发送过来的消息事件
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    client.readInfo();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (sc.hasNextLine()){
            String s = sc.nextLine();
            client.sendToServer(s);
        }
    }

    private void sendToServer(String s){
        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(("zuiyu say："+socketChannel.getLocalAddress()+":"+s).getBytes()));
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

    private void readInfo() throws Exception{
        if (selector.select()>0){
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                if (selectionKey.isReadable()){
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("客户端消息："+new String(buffer.array()).trim());
                }
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

AIO

JAVA AIO(NIO 2):异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的IO请求都是OS先完成了在通知服务器应用去启动线程进行处理

BIO NIO AIO

Socket SocketChannel AsynchronousSocketChannel

ServerSocket ServerSockerChannel AsynchronousServerSocketChannel

与NIO不同，当进行读写操作时，只需直接调用API的read或者write方法即可，这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读取的流传入read方法的缓冲区，对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕后，操作系统主动通知应用程序

即可以理解为read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数，在JDK1.7中，这部分内容被称为NIO2，主要是在java.nio.channels包下增加了下面异步通道
```
AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
```

BIO	NIO	AIO
Socket	SocketChannel	AsynchronousSocketChannel
ServerSocket	ServerSockerChannel	AsynchronousServerSocketChannel

总结

BIO、NIO、AIO

Java BIO：同步并阻塞，服务器实现模式为一个链接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个链接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善
Java NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的链接请求都会注册到多路复用选择器上，多路复用器轮询到链接IO请求时才启动一个线程进行处理
Java AIO(NIO 2)：异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的IO请求都是有OS先完成了在通知服务器应用去启动线程进行处理

BIO、NIO、AIO 适用场景分析

1、BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解

2、NIO方式适于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等，编程比较复杂，JDK1.4开始支持

3、AIO方式使用与连接数目多且连接比较长(重操作)的架构，比较相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持

本文由mdnice多平台发布

一文彻底理解BIO、NIO、AIO

IO模型

BIO

NIO

AIO(NIO 2)

BIO深入剖析

JAVA BIO 基本介绍

单客户端对单服务端，发送单条信息

单客户端对单服务端，发送多条消息

多客户端对单服务端，发送多条消息

小结

伪异步I/O编程

客户端代码实现

小结

NIO

基本介绍

NIO和BIO的比较

NIO 三大核心

Buffer 缓冲区

Channel 通道

Selector 选择器

NIO核心一：缓冲区Buffer

缓冲区Buffer

Buffer类及其子类

缓冲区的基本属性

Buffer常见方法

缓冲区的数据操作

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤

代码测试

直接与非直接缓冲区

NIO核心二：通道Channel

通道Channel

常用的Channel实现类

FileChannel 类

FileChannel的常用方法

本地文件写入数据

本地文件读取数据

使用Buffer完成文件的复制

基于分散(scatter)和聚集(gather)

transferFrom

transferTo

NIO核心三：选择器Selector

选择器Selector

选择器(Selector)的应用

NIO 非阻塞式网络通信原理分析

Selector示意图和特点说明

服务端流程

客户端流程

服务端代码实现

客户端代码实现

网络编程应用实例-群聊系统

目标

服务端代码实现

客户端代码实现

AIO

总结

BIO、NIO、AIO

BIO、NIO、AIO 适用场景分析

相关文章

网友评论

延伸阅读

深度阅读

栏目导航

热点阅读