Java-IO(上) BIO、NIO、AIO介绍

在开始之前

这个系列的概要

这个系列主要是讲Java-IO，分为上中下三篇。

1. 上篇主要是介绍Java原生的BIO(IO),NIO,AIO(NIO2)
2. 中篇主要是介绍经典的IO框架Netty的基本概念，以及线程模型
3. 下篇则是讲Netty的项目实践，如何用Netty实现一套RPC框架

关于源码

在介绍Java原生IO，以及Netty框架的时候，我都会以一个简单的HttpServer作为Demo。
所以在本系列中会包含四个版本的HttpServer（BIO，NIO，AIO，Netty）。
其中BIO，NIO，AIO版本的Demo未引入任何第三方包，只需要JDK8+即可运行。
Netty版本的Demo需要配置第三方依赖，对应的maven配置在中篇会单独列出。

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快速开始

本篇主要是对Java原生IO（BIO、NIO、AIO）进行介绍，同时进行对比。
为了给大家一个直观快速的感受，我们分别用这几种不同的IO方式，来写一个简单的HttpServer，这个HttpServer的主要功能就是，将浏览器的请求内容，原封不动的返回给浏览器。可能代码里面的部分API大家可能已经忘记了，不过不要紧，后面会对比较重要的部分进行详细的讲解。

BIO版本HttpServer

Java的BIO（IO）很简单，直接面向socket编程，每当接收到一个新的socket，都新建一个线程进行处理。当然了，处理线程也可以设计成线程池，可以在一定程度上提高性能。

public class BioHttpServer {

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 用一个线程池处理接收到的请求
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
    // 服务端开启8081端口
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8081);
    while (!Thread.interrupted()) {
      // 阻塞式接收请求
      final Socket accept = serverSocket.accept();
      // 每当有新的请求到来，将其放到线程池中处理
      executor.submit(() -> {
        try (InputStream inputStream = accept.getInputStream();
            BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(accept.getOutputStream()))) {

          // 从inputStream中读取输入内容
          byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
          inputStream.read(bytes);

          // 封装输出内容，并将其写到outputStream
          writer.write(ResponseUtils.getResponse(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8)));
          writer.flush();

          // 这里需要分别关闭输入和输出，否则浏览器请求的时候会发生异常
          // 思考1：为什么不能直接close
          accept.shutdownInput();
          accept.shutdownOutput();
          accept.close();
        } catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
      });
    }
  }
}

思考一，shutdownInput，shutdownOutput 的作用是什么？

因为socket是双向的，需要先关闭输入流，告诉客户端，我不再接收数据，然后关闭输出流，表示我的数据已经发送完毕。
详细信息可以参考如下【Java TCP/IP Socket】 — close()/shutdownOutput()/shutdownInput() 分析

NIO版本HttpServer

NIO是本章重点介绍内用，因为是对后续的Netty框架介绍做铺垫，所以这里会讨论以下内容：

1. Channel
2. Buffer
3. Selector
4. 为什么用NIO

public class NioHttpServer {

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 全局selector，至关重要
    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    // 服务端开启对8082端口的监听
    ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8082));
    // 设置为非阻塞模式
    // 思考1：阻塞和同步是一个概念吗？非阻塞=异步？
    ssc.configureBlocking(false);
    // 注册监听到selector上
    ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    while (!Thread.interrupted()) {
      // 因为是非阻塞模式，所以不论是否接收到请求，selector.select()都会立即返回。这里需要判断是否真正的accept
      if (selector.select() > 0) {
        // 处理接收到的事件
        Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = iterator.next();
          iterator.remove();

          if (key.isAcceptable()) {
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel channel = serverSocketChannel.accept();
            channel.configureBlocking(false);
            // 注册读事件
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          } else if (key.isReadable()) {
            // 我们不会直接从channel中取出字节，而是将channel中的数据写入Buffer缓冲区
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer result = ByteBuffer.allocate(102400);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            while (sc.read(buffer) > 0) {
              // 从buffer读数据之前，进行flip操作。
              // 思考2：为什么从buffer读数据要先进行flip操作
              buffer.flip();
              result.put(buffer);
              // 思考3：为什么向buffer写数据要先进行clear操作(新建的buffer不需要)
              buffer.clear();
            }
            // 继续注册写事件
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, new String(result.array(), StandardCharsets.UTF_8));
          } else if (key.isWritable()) {
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            String attachment = (String) key.attachment();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(ResponseUtils.getResponse(attachment).getBytes());
            while (buffer.hasRemaining()) {
              sc.write(buffer);
            }
            // 回写数据完成，关闭channel
            sc.close();
          }
        }
      }
    }
  }
}

思考1：阻塞和同步是一个概念吗？非阻塞=异步？

这种概念性的问题没必要太关注，有点像回字有多少种写法，关键的还是要能够理解IO模型的原理。
这里只是简单提一下。通过Unix的五种IO模型介绍 我们可以知道：
1.BIO是阻塞式IO，是同步IO，这点是没有异议的
2.NIO可以设置两种模式：阻塞模式（Unix多路复用IO）和非阻塞模式（Unix非阻塞IO），但数据从内核态加载为用户态的这个过程，是同步的，所以NIO也是同步的。
3.AIO(后面会进行讨论)是完全的非阻塞模式，也是真正的异步IO。
综上：
非阻塞，对于底层Unix-IO模型，都是指数据从磁盘加载到内核态的这个过程，是否阻塞。
异步是指整个IO操作（包含了两步：数据在内核态准备完成，数据从内核态转变为用户态）完成之后，系统通知应用程序（通过signal或callback）。

思考2：为什么从buffer读数据要先进行flip操作

buffer底层就是一个数组，我们需要当写数据的时候我们需要记录从何处开始写（position），以及数组的最大容量（capacity）。
当我们读数据的时候，需要知道当前数组有多少个元素可读（limit），以及记录当前已经读到了哪个位置（position）。
所以当读写模式转换的时候，我们就需要对buffer进行flip（写转读），clear（读转写）操作。详见【NIO Buffer】章节
以上只是一般性操作，不代表所有应用场景。

思考3：为什么向buffer写数据要先进行clear操作(新建的buffer不需要)

同思考2

NIO Channel

channel在NIO中的地位，和流在BIO中的地位类似。但有以下不同点：

区别	Channel	流（InputStream，OutputStream）
方向	双向的	一般来说都是单向的
异步	支持异步操作【AIO就是典型的例子】	只支持同步操作
对接	一般不能直接从channel读写数据，channel只和缓冲区Buffer交互	直接对流进行读写

NIO Buffer

	向缓冲区写数据时	从缓冲区读数据时
position	记录当前已经在buffer中写入了多少数据，指向下一个即将写入数据的坑位。举例，如果当前从缓冲区读取7个元素，则当前缓冲区的position的值为7，指向第8个元素的位置。	记录当前从buffer中读取了多少数据，指向下一个即将读取的元素。举例，如果当前已经从缓冲区读取了4个元素，那么缓冲区的position将被设置为4，指向第5个元素。
limit	一般来说limit等于capacity。	记录最后一个可读取元素的位置。
capacity	表示缓冲区的最大容量。	表示缓冲区的最大容量。

有一篇文章对buffer内部结构的介绍很详细，可以参考：IBM-NIO入门

NIO Selector

Selector基于操作系统底层的epoll，一个Selector可以同时监听多个Channel上的事件，不必对每一个连接都新建一个线程。

为什么使用NIO

NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统，因而可以极大地提高速度。
NIO的出现，使得当IO未就绪时，线程可以不挂起，继续处理其他事情。一个线程也不必局限于只为一个IO连接服务。

BIO与NIO的线程模型对比：

BIO模型	NIO模型
	%}
IO以流的方式处理数据	NIO 以块的方式处理数据
面向流的IO系统一次一个字节地处理数据，通过过滤器，处理流程很优雅	每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块，缺少流式处理的优雅性与简单性
面向流的IO通常相当慢	按块处理数据比按流处理要快得多

AIO版本HttpServer

应用程序完全不用关心IO何时准备好，这一切都交给操作系统（IO的两个阶段）。
同时给操作系统提供一个缓冲区，当数据往缓冲区写好之后，通知应用程序即可。

public class AioHttpServer {

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 服务端启动8083端口
    final AsynchronousServerSocketChannel channel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8083));
    channel.accept(channel, new CompletionHandler() {
      @Override
      public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
        // 思考1：accept again，why？
        attachment.accept(attachment, this);

        // 分配一块缓冲区，将客户端的数据写入缓冲区中。
        // 思考2：这样有什么缺点
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler() {
          @Override
          public void completed(Integer result_num, ByteBuffer attachment) {
            // 准备冲缓冲区读数据，老规矩，先进行flip
            attachment.flip();
            byte[] body = new byte[attachment.remaining()];
            attachment.get(body);
            String response = ResponseUtils.getResponse(new String(body, StandardCharsets.UTF_8));
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
            // 数据回写
            client.write(writeBuffer, writeBuffer, new CompletionHandler() {
              @Override
              public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                try {
                  // 回写数据完成，关闭连接
                  client.close();
                } catch (IOException e) {
                }
              }

              @Override
              public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {/** write fail 咋办 */}
            });
          }

          @Override
          public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {/** read fail 咋办 */}
        });
      }

      @Override
      public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {/** accept fail 咋办 */}
    });
    // 思考3：这行代码的必要性
    System.in.read();
  }
}

思考1：accept again，why？

因为AIO是异步模型，当接收到请求之后，当前线程就退出了，所以当接收到请求之后，需要再次注册服务端的accept操作。

思考2：read数据之前，先分配缓冲区，这样有什么缺点

预分配缓冲区大小，需要按照最大请求的输入Body-size进行分配，所以对于一个Body比较小的请求，相当于资源浪费。

追加思考：如果预分配的缓冲区大小不足以接收channel中的所有数据，怎么办？

数据在Channel中是顺序读取的，如果接收数据的Buffer空间，小于Channel中实际的数据内容，比如，现在Channel中有4个字节[a,b,c,d]，但现在接受缓冲区数据的Buffer大小只有3个字节。
此时，只会读取前Channel中的前三个字节[a,b,c]到Buffer中，剩余的一个字节[d]仍留在Channel中，如果继续从Channel中读数据，可以将第四个字节读出来。
最后：如果Channel中有数据未读取，当Channel关闭的时候，里面的数据就被丢弃了。
由此我们可以看出：
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel#read(java.nio.ByteBuffer, A, java.nio.channels.CompletionHandler)
这个方法，以下两种情况满足任意一种都会认为数据读取完成，从而回调completed方法：
1.channel中的所有数据都已经读到Buffer中。
2.Buffer的可用空间已经被填满。

思考3：System.in.read(); 这行代码的必要性

因为异步代码执行完成之后，线程就退出了，随之应用程序退出。
所以需要加上一行，主线程等待系统输入，避免程序退出。

AIO看起来比NIO更高效，为什么Netty使用NIO而不是AIO？

1.服务器大多是Linux系统，AIO的底层实现仍使用EPOLL，没有很好实现AIO，因此在性能上没有明显的优势。
2.AIO接收数据的时候需要预先分配缓冲区大小, 而不是NIO那种需要接收时才需要分配缓存, 所以对连接数量非常大但流量小的情况, 会造成内存浪费

以上代码中用到的工具类

主要就是封装Http-Header和Response

public class ResponseUtils {

  private final static String CRLF = "\r\n";

  public static String getResponse(String msg) {
    msg = "Server response:

" + msg.replaceAll(CRLF, "
");
    return new StringBuilder("HTTP /1.1 200 ok ").append(CRLF)
        .append("Content-Type:text/html ").append(CRLF)
        .append("Content-Length:" + msg.length()).append(CRLF).append(CRLF)
        .append(msg).toString();
  }
}

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他山之石

没有比这个更简明易懂的NIO教程了
Java NIO Tutorial

IBM讲NIO的Buffer比较详细
IBM-NIO入门

美团技术博客讲NIO的
Java NIO浅析

AIO讲解
在 Java 7 中体会 NIO.2 异步执行的快乐