IO编程和NIO编程简介

个人博客：haichenyi.com。感谢关注

  传统的同步阻塞I/O通讯模型，导致的结果就是只要有一方处理数据缓慢，都会影响另外一方的处理性能。按照故障设计原则，一方的处理出现问题，不应该影响到另外一方才对。但是，在同步阻塞的模式下面，这样的情况是无法避免的，很难通过业务层去解决。既然同步无法避免，为了避免就产生了异步。Netty框架就一个完全异步非阻塞的I/O通讯方式

同步阻塞式I/O编程

  简单的来说，传统同步阻塞的I/O通讯模式，服务器端处理的方式是，每当有一个新用户接入的时候，就new一个新的线程，一个线程只能处理一个客户端的连接，在高性能方面，并发高的情景下无法满足。伪代码如下：

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @author 海晨忆
 * @date 2018/2/9
 * @desc
 */
public class SocketServer {
  private int port = 8080;
  private Socket socket = null;

  public SocketServer(int port) {
    this.port = port;
  }

  public void connect() {
    ServerSocket server = null;
    try {
      server = new ServerSocket(port);
      while (true) {
        socket = server.accept();
        new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
            new TimerServerHandler(socket).run();
          }
        }).start();
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      //释放资源
      if (server != null) {
        try {
          server.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        server = null;
      }
    }
  }
}

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

/**
 * @author 海晨忆
 * @date 2018/2/9
 * @desc
 */
public class TimerServerHandler implements Runnable {
  private Socket socket;

  public TimerServerHandler(Socket socket) {
    this.socket = socket;
  }

  @Override
  public void run() {
    BufferedReader in = null;
    PrintWriter out = null;
    try {
      in = new BufferedReader(new InputStreamReader(this.socket.getInputStream()));
      out = new PrintWriter(this.socket.getOutputStream(), true);
      String currentTime = null;
      String body = null;
      while (true) {
        body = in.readLine();
        if (body == null)
          break;
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      //释放in，out，socket资源
    }
  }
}

  上面这个就是最原始的服务端IO的代码，这里我就给出的是最简化的，当有新的客户端接入的时候，服务端是怎么处理线程的，可以看出，每当有新的客户端接入的时候，总是回新创建一个线程去服务这个新的客户端

伪异步式编程

  后来慢慢演化出一个版本“伪异步”模型，新增加一个线程池或者消息队列，满足一个线程或者多个线程满足N个客户端，通过线程池可以灵活的调用线程资源。通过设置线程池的最大值，防止海量并发接入造成的线程耗尽，它的底层实现依然是同步阻塞模型，伪代码如下：

import com.example.zwang.mysocket.server.TimerServerHandler;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @author 海晨忆
 * @date 2018/2/9
 * @desc
 */
public class SocketServer {
  private int port = 8080;
  private Socket socket = null;

  public SocketServer(int port) {
    this.port = port;
  }

  private void connect() {
    ServerSocket server = null;
    try {
      server = new ServerSocket(port);
      TimeServerHandlerExecutePool executePool = new TimeServerHandlerExecutePool(50, 1000);
      while (true) {
        socket = server.accept();
        executePool.execute(new TimerServerHandler(socket));
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }finally {
      //释放资源
    }
  }
}

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author 海晨忆
 * @date 2018/2/9
 * @desc
 */
public class TimeServerHandlerExecutePool {
  private ExecutorService executor;

  public TimeServerHandlerExecutePool(int maxPoolSize, int queueSize) {
    executor = new ThreadPoolExecutor(Runtime.getRuntime().availableProcessors(), maxPoolSize,
        120L, TimeUnit.SECONDS, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize));
  }

  public void execute(Runnable task) {
    executor.execute(task);
  }
}

  “伪异步”的代码和传统同步的唯一区别就是在于，首先先创建了一个时间服务处理类的线程池，当有新的客户端接入的时候，先将socket请求封装成task，然后调用线程池的execute方法执行，从而避免了每一个新请求创建一个新线程。由于线程池和消息队列都是有限的，因此，无论客户端的并发量多大，它都不会导致线程个数过于大，而造成的内存溢出。相对于传统的同步阻塞，是一种改良。

  但是他没有从更本上解决同步的问题，伪异步的问题在于，他还是有一方处理出现问题还是会影响到另一方。因为：

• 当对socket的输入流进行读取操作的时候，它会一直阻塞直到一下三种方式发生：
   1. 有数据可读
   2. 可读数据已经读取完
   3. 发生空指针或者I/O异常。
  这意味者，当读取inputstream方处理速度缓慢(不管是什么原因造成的速度缓慢)，另一方会一直同步阻塞，直到这一方把数据处理完.
• 当调用outputstream的write方法写输出流的时候，它将会被阻塞，直到所有要发送的字节全部写入完毕，或者发生异常。学过TCP/IP相关知识的人都直到，当消息的接收方处理消息缓慢，不能及时的从TCP缓冲区读取数据，这将会导致发送方的TCP缓冲区的size一直减少，直到0.缓冲区为0，那么发消息的一方将无法将消息写入缓冲区，直到缓冲区的size大于0
  
    通过以上。我们了解到读和写的操作都是同步阻塞的，阻塞的时间取决于对方的I/O线程的处理速度和网络I/O的传送速度。从本质上面看，我们无法保证对方的处理速度和网络传送速度。如果，我们的程序依靠与对方的处理速度，那么，他的可靠性将会非常差。

NIO编程

  官方叫法new I/O，也就是新的IO编程，更多的人喜欢称它为：Non-block IO即非阻塞IO。
  与Socket和serverSocket类对应，NIO提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现，这两种都支持阻塞式编程和非阻塞式编程。开发人员可以根据自己的需求选择合适的编程模式。一般低负载，低并发的应用程序选择同步阻塞的方式以降低编程的复杂度。高负载，高并发的不用想了，非阻塞就是为了解决这个问题的

1. 缓冲区Buffer
     Buffer是一个对象，它包含一些写入或者读出的数据。再NIO中加入buffer对象，体现了新库和旧库的一个重要区别。在面向流的io中，可以直接把数据读取或者写入到stream对象中。在NIO库中，所有数据操作都是通过缓冲区处理的。
   缓冲区实质上是一个数组，通常是一个字节数组（ByteBuffer），基本数据类型除了boolean没有，其他都有，如ShortBuffer,CharBuffer等等
2. 通道Channel
     Channel是一个通道，双向通道，网络数据都是通过Channel读取，写入的。是的，没错，Channel它既可以进行读操作，也可以进行写操作。而流只能是一个方向。只能读操作或者只能写操作，而channel是全双工，读写可以同时进行。channel可以分为两大类：网络读写的SelectableChannel和文件操作的FileChannel。我们前面提到的SocketChannel和ServerSocketChannel都是SelectableChannel的子类。
3. 多路复用器Selector
     selector多路复用器，他是java NIO编程的基础，熟练的掌握selector对于NIO编程至关重要。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单的讲就是他会不断的轮询注册的channel，如果一个Channel发生了读写操作，这个Chnnel就会处于就绪状态，会被selector轮询出来，通过SelectorKey获取就绪Channel集合，进行后续的IO操作。一个selector对应多个Channel
   
     由于原生NIO编码比较麻烦和复杂，我这里就给出了思路的伪代码。下一篇我们将用NIO中的Netty框架实现Socket通信，编码简单，一行代码解决烦人粘包、拆包问题。

/**
   * 服务端nio过程的伪代码
   *
   * @param port 端口号
   * @throws IOException IOException
   */
  private void init(int port) throws IOException {
    //第一步：打开ServerSocketChannel，用于监听客户端连接，它是所有客户端连接的父管道
    ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
    //第二步：监听绑定端口，设置连接模式为非阻塞模式，
    socketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getByName("IP"), port));
    socketChannel.configureBlocking(false);
    //第三步：创建Reactor线程，创建多路复用器，并启动线程。
    Selector selector = Selector.open();
    new Thread().start();
    //第四步：将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器上，监听accept事件
    SelectionKey key = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT/*,ioHandler*/);
    //第五步：多路复用器在线程run方法的无线循环体内轮询准备就绪的key
    int num = selector.select();
    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
    while (it.hasNext()) {
      SelectionKey next = it.next();
      //deal with io event...
    }
    //第六步：多路复用器检测到有新客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路
    SocketChannel channel = socketChannel.accept();
    //第七步：设置客户端为非阻塞模式
    channel.configureBlocking(false);
    channel.socket().setReuseAddress(true);
    //第八步：将新接入的客户端注册到reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的消息
    SelectionKey key1 = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT/*,ioHandler*/);
    //第九步：异步读取客户端消息到缓冲区，
    /*int readNumber = channel.read("receivebuff");*/
    //第十步：对byteBuffer进行编解码，如果有半包信息指针reset，继续读取到后续的报文，将解码成功消息封装成task，投递到业务线程池，进行业务逻辑编排
    Object massage = null;
    while (buff.hasRemain()) {
      buff.mark();
      Object massage1 = decode(btyeBuffer);
      if (massage1 == null) {
        byteBuffer.reset();
        break;
      }
      massageList.add(massage1);
    }
    if (!byteBuffer.hasRemain()) {
      byteBuffer.clean();
    } else {
      byteBuffer.compact();
    }
    if (massageList != null && !massageList.isEmpty()) {
      for (Object massage3 : massageList){
        handlerTask(massage3);
      }
    }
    //第十一步：将POJO对象encode成ByteBuff，调用SocketChannel的异步write接口，将异步消息发送到客户端
    socketChannel.write(buffer);
  }

结束！！！