Java中BIO，NIO和AIO使用样例

转自：http://blog.insanecoder.top/javazhong-bio-niohe-aioshi-yong-yang-li/

上文中分析了阻塞，非阻塞，同步和异步概念上的区别以及各种IO模型的操作流程，本篇文章将主要介绍Java中BIO，NIO和AIO三种IO模型如何使用。需要注意的是，本文中所提到的所有样例都是在一个server对应一个client的情况下工作的，如果你想扩展为一个server服务多个client，那么代码需要做相应的修改才能使用。另外，本文只会讲解server端如何处理，客户端的操作流程可以仿照服务端进行编程，大同小异。文章最后给出了源码的下载地址。

BIO(Blocking I/O)

在Java中，BIO是基于流的，这个流包括字节流或者字符流，但是细心的同学可能会发现基本上所有的流都是单向的，要么只读，要么只写。在实际上编程时，在对IO操作之前，要先获取输入流或输出流，然后对输入流读或对输出流写即完成实际的IO读写操作。 首先需要新建一个ServerSocket对象监听特定端口，然后当有客户端的连接请求到来时，在服务器端获取一个Socket对象，用来进行实际的通信。

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);  
Socket socket = serverSocket.accept();  

获取到Socket对象后，通过这个Socket对象拿到输入流和输出流就可以进行相应的读写操作了。

DataInputStream in = new DataInputStream(socket.getInputStream());  
DataOutputStream out = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());  

由于BIO的编程的模型比较简单，这里就写这么多，需要下载源代码的可以到文章末尾。

NIO(New I/O, or Nonblocking I/O)

BIO的编程模型简单易行，但是缺点也很明显。由于采用的是同步阻塞IO的模式，所以server端要为每一个连接创建一个线程，一方面，线程之间在进行上下文切换的时候会造成比较大的开销，另一方面，当连接数过多时，可能会造成服务器崩溃的现象产生。

为了解决这个问题，在JDK 1.4的时候，引入了NIO（New IO）的概念。NIO主要由三个部分组成，即Channel，Buffer和Selector。Channel可以跟BIO中的Stream类比，不同的是Channel是可读可写的。当和Channel进行交互的时候需要Buffer的支持，数据可以从Buffer写到Channel中，也可以从Channel中读到Buffer中，他们的关系如下图。以SocketChannel为例，Channel和Buffer交互的例子如下。ByteBuffer是Buffer的一种实现，在使用ByteBuffer之前，需要为其分配空间，然后调用Channel的read方法将数据写入Buffer中，在完成后，在使用Buffer中的数据之前需要调用Buffer的flip方法。Buffer中有个position常量，记录当前操作数据的位置，当向Buffer中写数据时，position会记录当前写的位置，当写操作完成后，flip会把position至为0，这样读取Buffer中的数据时，就会从0开始了。另外需要注意的是处理完Buffer中的数据后需要调用clear方法将Buffer清空。向Channel中写数据的操作比较简单，这里不再赘述。

// Read data from channel to buffer
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();  
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
while (socketChannel.read(byteBuffer) > 0) {  
    byteBuffer.flip();
    while(byteBuffer.hasRemaining()){
        System.out.print((char) byteBuffer.get());
    }
    byteBuffer.clear();
}

// Write data to channel from buffer
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));  

NIO中另一个重要的组件是Selector，Selector可以用来检查一个或多个Channel是否有新的数据到来，这种方式可以实现在一个线程中管理多个Channel的目的，示意图如下。 
在使用selector之前，一定要注意把对应的Channel配置为非阻塞。否则在注册的时候会抛异常。

serverSocketChannel.configureBlocking(false);  

然后调用select函数，select是个阻塞函数，它会阻塞直到某一个操作被激活。这个时候可以获取一系列的SelectionKey，通过这个SelectionKey可以判断其对应的Channel可进行的操作（可读，可写或者可接受连接），然后进行相应的操作即可。这里还要注意一个问题就是在判断完可执行的操作后，需要将这个SelectionKey从集合中移除。

selector.select();

Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();  
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

while (iterator.hasNext()) {  
    SelectionKey selectionKey = iterator.next();

    if (!selectionKey.isValid())
        continue;

    if (selectionKey.isAcceptable()) {
        // ready for accepting        
    } else if (selectionKey.isReadable()) {
        // ready for reading                   
    } else if (selectionKey.isWritable()) {
        // ready for writing
    }

    iterator.remove();
}

NIO这里最后一个问题是，什么时候Channel可写，这个问题困扰了我很久，经过从网上查资料最后得出的结论是，只要这个Channel处于空闲状态，都是可写的。这个我也从实际的程序中论证了。

AIO(Asynchronous I/O)

在JDK 1.7时，Java引入了AIO的概念，AIO还是基于Channel和Buffer的，不同的是它是异步的。用户线程把实际的IO操作以及数据拷贝全部委托给内核来做，用户只要传递给内核一个用于存储数据的地址空间即可。内核处理的结果通过两种方式返回给用户线程。一是通过Future对象，另外一种是通过回调函数的方式，回调函数需要实现CompletionHandler接口。这里只给出通过回调方式处理数据的样例，其中关键的步骤已经在程序中添加了注释。

// 创建AsynchronousServerSocketChannel监听特定端口，并设置回调AcceptCompletionHandler
AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(PORT));  
serverSocketChannel.accept(serverSocketChannel, new AcceptCompletionHandler());

// 监听回调，当用连接时会触发该回调
private static class AcceptCompletionHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel> {  
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel result, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 注册read请求以及回调ReadCompletionHandler
        result.read(byteBuffer, result, new ReadCompletionHandler(byteBuffer, "client"));
        // 递归监听
        attachment.accept(attachment, this);
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
        // 递归监听
        attachment.accept(attachment, this);
    }
}

// 读取数据回调，当有数据可读时触发该回调
public class ReadCompletionHandler  implements CompletionHandler<Integer, AsynchronousSocketChannel> {  
    private ByteBuffer byteBuffer;
    private String remoteName;
    public ReadCompletionHandler(ByteBuffer byteBuffer, String remoteName) {
        this.byteBuffer = byteBuffer;
        this.remoteName = remoteName;
    }
    @Override
    public void completed(Integer result, AsynchronousSocketChannel attachment) {
        if (result <= 0)
            return;

        byteBuffer.flip();
        System.out.println("[" + this.remoteName + "] " + new String(byteBuffer.array()));

        byteBuffer.clear();
        // 递归监听数据
        attachment.read(byteBuffer, attachment, this);
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, AsynchronousSocketChannel attachment) {
        byteBuffer.clear();
        // 递归监听数据
        attachment.read(byteBuffer, attachment, this);
    }
}

上面给出了BIO，NIO以及AIO在Java中的使用的部分程序，并且分析了其中关键步骤的使用及其需要注意的事项。

需要源码的同学可以到这里下载。

参考

Java NIO Tutorial