JAVA网络IO之NIO/BIO

系列文章：【Netty】知识脉络

前言 

• Java的IO ，就是 输入/输出 (Input/Output)，分为IO设备和IO接口两个部分。
  • 常听输入输出流、输入输出字节、输入输出字符...Java与外部交互都可转化为流、字节字符进而封装为对象、进而方便程序员编程。
• Java与网络交互就是网络IO、Java与磁盘交互就是磁盘IO。
• Java网络IO是什么？用系统调用read从socket中读取数据。

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 一、Java网络编程基础

1、Socket

• 网络上两个程序通过一个双向通讯连接实现数据的交换。
• 这个双向通讯链路两端端点称为Socket，通常用来实现连接用。
• 一个socket必须由IP+端口号port组成。
• socket是个支持TCP/IP等协议的编程界面。

2、Java中的Socket

• Java中socket主要是基于TCP/IP。
• Java的java.net包中提供了socket（客户端）和serverSocket（服务端）。
• Java中socket使用方法：
  1. 创建socket
  2. 打开连接到socket的输入/输出流
  3. 按照协议对socket的读取/写入
  4. 关闭socket   

3、Java中的IO   

Socket建设完毕，网络数据的传输通路没问题，那么数据，该怎么读取呢？

• 关于读取JDK 1.0就有读取的包提供——java.io
• Java 的 I/O输入输出系统解决的问题是：
  • 各种I/O源端和与之通信的接收端（文件/控制台/网络链接...）
  • 多种不同方式进行通信：顺序/随机/缓冲/二进制/按字符、按字、按行...
  • Java的“流”屏蔽了实现I/O设备中处理数据的细节。

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 二、Java网络IO的历史演进

与其说是Java的IO历史，不如说是操作系统的网络IO历史。

• read是操作系统的方法，java只是调用这个接口。

以Linux为例：

第一阶段：调用read读取socket数据，有数据则读取，没数据则等待。

第二阶段：调用read读取socket数据，有数据则读取，没数据则返回-1，

                  errno设置为EAGAIN。

第三阶段：监听socket，有数据则通知。

第一阶段  Java网络编程情况

第一阶段：调用read读取socket数据，有数据则读取，没数据则等待。

在此前提下如何设计Java程序呢：

• 线程若阻塞在read中，那么为了程序继续向下执行，就只能开启新的线程。

1、为代码编程示例

 A) ServerSocket服务端通道建设伪代码示例

public class ServerSocketDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        // 创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(3000);
        // 死循环（监听serverSocket），等待客户端连接
        while (true) {
            Socket clientSocket = serverSocket.accept(); 
            // 创建一个线程用于处理通信数据
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //handler方法为处理数据的方法：见下文 B)IO处理数据为代码示例
                    handler(clientSocket); 
                }
            });
        }
    }
}

B) IO处理数据为代码示例

private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
        //接收数据，没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(new byte[1024]);
        if (read != -1) {
            //处理数据的业务方法
        }
}

2、弊端

read() 操作卡住的（阻塞），如果单线程很可能卡死住，如果多线程呢（如上），可以解决卡住问题，但是带来哪些影响？

• 每个线程处理一个网络请求，1000个并发请求就开1000个线程。
• 每个线程占用一定内存做为线程栈，每个1M，1000个就是1G。
• 都没数据时候，这1000个线程闲着。
• 如果用线程池，就限制了并发的数量。

3、总结

这种调用read读取socket数据，有数据则读取，没数据则等待。称之为BIO，即阻塞IO。

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 第二阶段  Java网络编程情况

第二阶段：调用read读取socket数据，有数据则读取，没数据则返回-1，

                  errno设置为EAGAIN。

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Java为此做了哪些改变呢？NIO模型登场！

• NIO新增缓冲区（Buffer）。
  • 面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。
  • NIO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。增加了处理的灵活性。

  • buffer 底层就是个数组。

• NIO新增双向通道（Channel）。
  • 一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。
• NIO新增多路复用器（Selector）。
  • 将Channel注册在Selector上
  • Selector可以监听Channel的四种状态（Connect、Accept、Read、Write）
  • 监听到某一Channel的某个状态时，才对Channel进行相应的操作

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对应的操作系统是什么呢？

• NIO底层在JDK1.4版本是用linux的内核函数select()或poll()来实现。

• NIO底层在JDK1.5版本是用linux的内核函数epoll()基于事件响应机制来优化NIO。

I/O多路复用底层主要用的Linux 内核·函数（select，poll，epoll）来实现

windows不支持epoll实现，windows底层是基于winsock2的select函数实现的(不开源)

1、NIO如何使用？ 客户端代码示例

public class NioServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 打开Selector处理Channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();
            // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
            Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
            // 遍历SelectionKey对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    //客户端连接成功
                // 如果是OP_READ事件，则进行读取和打印
                } else if (key.isReadable()) {  
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据
                    if (len > 0) {
                        //接收数据
                        String data = new String(byteBuffer.array());
                        //执行处理数据的业务逻辑
                    // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                    } else if (len == -1) { 
                        //客户端断开连接，关闭socket
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

 2、总结

NIO整个调用流程就是

• Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket，获取到Socket的文件描述符。
• Java再创建一个Selector对象，对应操作系统的Epoll描述符，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的Epoll文件描述符上。

事件的异步通知

• 实现了使用一条线程
• 不需要太多的无效的遍历
• 将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断程序实现)
• 大大提高了效率