Java BIO NIO AIO 模型介绍和使用样例

     在计算机的世界中，IO操作是不可避免的一个话题， IO操作涉及到的阻塞，非阻塞，同步和异步这些概念常常让我感到混乱，为此，专门抽出时间对这些概念做了一下简单的研究，记录如下。希望可以帮助还在这些概念中挣扎的同学。

1.阻塞，非阻塞，同步和异步

     IO操作实际上可以分为两步：发起IO请求和实际的IO操作。如果在第一步发起IO请求时发生阻塞，那么这个IO操作就可以说阻塞的，否则是非阻塞的。如果在第二步实际IO操作时发生阻塞，那么这个IO操作就是同步的，否则就是异步的。

     换种说法，阻塞和非阻塞是指在用户程序查询IO就绪状态时（比如查询IO是否有数据），用户程序对IO不同的就绪状态所表现出来的不同形式。以读取数据为例，当IO没有数据可供读取时，如果是阻塞IO，程序会一直阻塞直至IO有数据，如果是非阻塞IO，程序会直接返回错误码说当前没有数据，请稍后再来查询。同步和异步是由在进行实际的IO操作时，用户程序是否等待数据操作完成来决定。还是以读取数据为例，如果是同步IO，用户程序会等待读取数据完成，在此期间这个线程什么也不做，如果是异步IO，用户程序可以去作别的事情，内核在完成数据读取后，会以回调的方式通知用户程序。

2.同步阻塞IO，同步非阻塞IO，IO多路复用和异步IO模型

     在Unix中，共有五种IO模型，阻塞IO，非阻塞IO，IO多路复用和信号驱动IO以及异步IO，Java中实现了除信号驱动IO外的其他四种。

(1) 同步阻塞IO

     同步阻塞IO模型相对比较简单，操作流程如下，从用户发起read请求，到数据从IO读取至用户buffer，整个过程中用户线程始终处于阻塞状态，无法做别的事情。

(2) 同步非阻塞IO

     同步非阻塞IO模型的操作流程如下，用户发起read请求，这时候如果IO数据没有准备好，那么read函数立即返回，用户线程需要不停的去轮询是否有数据到来，当有数据到来时，用户程序再次发起读取数据操作，这个时候用户线程会发生阻塞，直至数据从IO拷贝至buffer操作完成，用户线程继续处理读取到的数据，这也是同步的意义所在。

(3) IO多路复用

     IO多路复用本质上还是属于同步非阻塞IO模型，不同点在于它通过selector实现在一个线程中监听多路通道数据。IO多路复用的操作流程如下，用户线程首先需要把需要监听的socket注册至selector，然后selector负责去轮询各个socket通道是否有数据到来，一旦有数据到来，select返回，最后用户程序读取IO数据，这个过程仍然是用户线程阻塞直至数据读取完成。需要注意的是，这里的socket通道必须配置为非阻塞，这样select才能去依次轮询所有注册在selector中的socket通道。 

      IO多路复用采用Reactor设计模式，操作流程如下。用户线程需要首先在Reactor中注册一个事件处理器，然后Reactor（相当于上文提到的selector）负责轮询各个通道是否有新的数据到来，当有新的数据到来时，Reactor通过先前注册的事件处理器通知用户线程有数据可读，此时用户线程向内核发起读取IO数据的请求，用户线程阻塞直至数据读取完成。 

(4) 异步IO

     最后是异步IO。异步IO采用Proactor设计模式，操作流程如下，跟Reactor模式一样，用户线程首先也需要向Proactor注册一个事件处理器，然后告诉内核要读取IO数据，这个时候用户线程就去做别的事情了，剩下监听IO数据以及IO数据的读取都由内核来完成，完成之后内核通过用户线程注册的事件处理器通知用户线程，“数据已经读取完成，你可以对这些数据做你自己的处理了”，最后用户线程拿到数据开始做自己的处理。

          上面分析了阻塞，非阻塞，同步和异步的区别以及各种IO模型的操作流程，下面我们用实际的例子来说明在Java中各个IO模型的使用。

3. Java中BIO，NIO和AIO使用样例

     下面我们主要介绍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。

(1) 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。

(2) 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。

       channel&buffer 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。

 selector 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 selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator 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。

(3) 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 {  
    @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 {  
    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。