I/O模型学习总结
I/O模型
I/O模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能
Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO
BIO
基本介绍
- Java BIO 就是传统的java io 编程，其相关的类和接口在 java.io
- BIO(blocking I/O) ： 同步阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，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，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。 【后有应用实例】
- 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，程序简单易理解
工作机制
工作原理图
BIO编程简单流程
- 服务器端启动一个ServerSocket
- 客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户建立一个线程与之通讯
- 客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝
- 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行
缺点
- 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write 。
- 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
- 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费
NIO
基本介绍
- Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的
- NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。【基本案例】
- NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
- NIO是 面向缓冲区 ，或者面向 块 编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
- 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，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，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。【后面有案例说明】
- 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10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
- HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。
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 I/O 的效率比流 I/O 高很多
- BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
- BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(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。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道
工作机制
Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图(简单版)
关系图的说明:
- 每个channel 都会对应一个Buffer
- Selector 对应一个线程，一个线程对应多个channel(连接)
- 该图反应了有三个channel 注册到 该selector程序
- 程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
- 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 ， 底层是有一个数组
- 数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , 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, 需要 flip 方法切换
- channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统通道就是双向的.
以上三大组件的说明
NIO 非阻塞 网络编程原理分析图
NIO非阻塞网络编程入门案例-群聊系统
服务端代码
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
public class GroupChatServer {
//定义属性
private Selector selector;
private ServerSocketChannel listenChannel;
private static final int PORT = 6667;
//构造器
//初始化工作
public GroupChatServer() {
try {
//得到选择器
selector = Selector.open();
//ServerSocketChannel
listenChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口
listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//设置非阻塞模式
listenChannel.configureBlocking(false);
//将该listenChannel 注册到selector
listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//监听
public void listen() {
System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
try {
//循环处理
while (true) {
int count = selector.select();
if(count > 0) {
//有事件处理
//遍历得到selectionKey 集合
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
//取出selectionkey
SelectionKey key = iterator.next();
//监听到accept
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = listenChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
//将该 sc 注册到seletor
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//提示
System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
}
if(key.isReadable()) {
//通道发送read事件，即通道是可读的状态
//处理读 (专门写方法..)
readData(key);
}
//当前的key 删除，防止重复处理
iterator.remove();
}
} else {
System.out.println("等待....");
}
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
//发生异常处理....
}
}
//读取客户端消息
private void readData(SelectionKey key) {
//取到关联的channle
SocketChannel channel = null;
try {
//得到channel
channel = (SocketChannel) key.channel();
//创建buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根据count的值做处理
if(count > 0) {
//把缓存区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
//输出该消息
System.out.println("form 客户端: " + msg);
//向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
}catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
//取消注册
key.cancel();
//关闭通道
channel.close();
}catch (IOException e2) {
e2.printStackTrace();;
}
}
}
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
//通过 key 取出对应的 SocketChannel
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
//转型
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将msg 存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer 的数据写入 通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建服务器对象
GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
groupChatServer.listen();
}
}
//可以写一个Handler
class MyHandler {
public void readData() {
}
public void sendInfoToOtherClients(){
}
}
客户端代码
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
import java.util.Set;
public class GroupChatClient {
//定义相关的属性
private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
private final int PORT = 6667; //服务器端口
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
//构造器, 完成初始化工作
public GroupChatClient() throws IOException {
selector = Selector.open();
//连接服务器
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel 注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//得到username
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 说：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {
//有可以用的通道
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
}
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
} else {
//System.out.println("没有可以用的通道...");
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
//启动我们客户端
GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();
//启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
new Thread() {
public void run() {
while (true) {
chatClient.readInfo();
try {
Thread.currentThread().sleep(3000);
}catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
String s = scanner.nextLine();
chatClient.sendInfo(s);
}
}
}
零拷贝
什么是零拷贝？
- 零拷贝（zero copy）指的是当拷贝发生时，CPU并不参与实际的拷贝过程（也可以指拷贝数据这个过程），CPU可以切换到其他线程，数据的拷贝过程异步进行，异步过程通常要由硬件DMA实现。零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。
零拷贝更多知识如mmap/sendfile，以后再写。
NIO中的transferTo方法底层就使用零拷贝
AIO
基本介绍
- JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理
- AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用
- AIO的实施需充分调用OS参与，IO需要操作系统支持、并发也同样需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于NIO, 而不是AIO
工作机制
上图说明：
- 应用程序发出读请求后，会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程
- 在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。
总结
目前为止，Java共支持3种网络编程模型：BIO、NIO、AIO：
- Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，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，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I/O请求都是由OS先完成了再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，及特点对比:
- 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，但程序直观简单易理解。
- NIO方式适用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，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
- AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。
