Java I/O 模型之 BIO

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Java BIO的概念

Java BIO（Blocking I/O）是一种同步阻塞式I/O模型，从JDK1.0到JDK1.3，Java只能使用BIO实现Socket通信。

在BIO通信模型中，有一个独立的Acceptor线程，来负责监听客户端的连接，它每接收到一个客户端连接，都会为之创建一个新的线程，新线程专门负责处理与之对应客户端的通信。

Java API解析

在Java BIO中，服务端ServerSocket负责绑定IP地址和端口，并启动端口监听；而客户端Socket负责发起连接操作。连接成功后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信。

下面，我们通过一段示例代码，来了解服务端和客户端的API。

服务器端API

服务器端是为客户端服务的，若想要客户端知道它的存在，必须向网络中公开出一个套接字地址（IP地址+端口），也就是网络中的一个端点，我们称该端点为服务端套接字（或者叫监听套接字）。

创建服务端套接字

Java BIO中使用ServerSocket类创建一个服务器端套接字。下面示例代码中，创建了一个服务器端套接字实例。此时的套接字还未绑定本地IP和端口，客户端还无法连接。

// 为服务端创建 ServerSocket，并指定端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();

绑定本地套接字地址

这里要先说一下InetSocketAddress类，从类名也可以看出，这是一个网络套接字地址（IP地址+端口号）类。该类在实例化时，可以指定具体的IP地址和端口号；也可以只指定端口号，那么其IP地址将是一个通配符地址。

通过bind方法来绑定一个本地套接字地址，并启动了监听。下面示例代码中，只指定了8080端口，未指定IP地址，若服务端有多个IP地址，那么每一个IP都可以被连接。

服务端套接字绑定了本地端口后，实际客户端就已经可以连接了。你可以通过telnet命令连接试一下。

serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8080));

监听客户端连接

通过accept方法来监听客户端的连接。该方法是一个阻塞方法，直到有一个客户端连接成功后，该方法才会返回该连接的套接字对象。也就是说，每连接一个客户端，都会生成一个与之对应的套接字对象。

该套接字与客户端的套接字是成对出现的，它们都记录了该连接的四元组信息（源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口）。后面与客户端的I/O操作，都是通过此套接字来完成的。

// 监听，等待客户端连接。该方法会阻塞，直到建立连接。
Socket socket = serverSocket.accept();

读取客户端数据

通过套接字可以获取输入流，调用输入流的read方法来监听客户端的输入。该方法同样是一个阻塞方法，直到有客户端数据输入。

下面代码是从输入流中读取字节数据，并将其缓存到一个字节数组中。最后将字节数据转换为字符串，便是我们要的内容。

// 通过 socket 获取输入流
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
// 创建缓冲区数组，用于临时存储发来的数据
byte[] bytes = new byte[1024];
// 从输入流中读取数据，并将它们存储到缓冲区数组中。该方法会阻塞，直到输入数据可用、检查到文件结束或抛出异常
int len = inputStream.read(bytes);
if (len != -1) {
    // 将字节数组转换为文本内容
    String content = new String(bytes, 0, len);
}

向客户端写入数据

通过套接字获取输出流，通过调用write方法，来向客户端写入数据。写入的数据是一个字节数组，所以我们要将字符串内容转换为字节数组。

// 获取套接字的输入流
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
// 向输出流写入内容
outputStream.write("收到".getBytes());

客户端API

服务端公开了套接字地址后，客户端便可以连接了。

创建客户端套接字

客户端想要连接服务端，也必须创建一个套接字，我们称之为客户端套接字。下面代码创建了一个未连接的客户端套接字。

// 创建 Socket
Socket socket = new Socket();

连接服务器端

通过connect方法来连接服务端，该方法的入参是一个服务端套接字地址（必须指定IP和端口）。该方法是一个阻塞方法，直到连接成功（可以设置超时时间）。

客户端的套接字，同样也有四元组信息，一旦连接成功，会随机分配一个未使用的端口。

// 连接远程端点
socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

读/写数据

客户端套接字连接成功，便可以与服务端进行读/写操作了，该操作与服务端相同，就不再赘述了。

示例代码

服务端示例代码

accept方法用来监听客户端连接，为了让所有客户端都能连接，在主线程内使用一个while循环，来依次接收所有连接。

由于read是一个阻塞方法，为了不影响其他客户端的连接，需要为每一个连接创建一个独立的线程，来处理客户端读取操作。

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * @author 码农StayUp
 * @date 2021/4/6 0006
 */
public class BioServer {

    private static final int PORT = 8080;

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

        // 为服务端创建 ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        // 绑定本地端口
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(PORT));
        System.out.printf("[%s] - 服务端启动了，端口为：%s\n", Thread.currentThread().getName(), PORT);

        // 循环接收每一个客户端连接，当没有连接时会阻塞
        while (true) {
            // 监听，等待客户端连接。该方法会阻塞，直到建立连接。
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.printf("[%s] - 有一个客户端连上来了 - %s\n", Thread.currentThread().getName(), socket.getRemoteSocketAddress());

            // 为连接创建一个独立的线程，进行接收数据
            new Thread(() -> socketHandler(socket)).start();
        }
    }

    /**
     * 处理 socket 连接
     *
     * @param socket
     */
    private static void socketHandler(Socket socket) {
        try {
            // 创建缓冲区数组，用于临时存储客户端发来的数据
            byte[] bytes = new byte[1024];
            // 通过 socket 获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            // 循环接消息，直到连接关闭
            while (true) {
                // 从输入流中读取数据，并将它们存储到缓冲区数组中。该方法会阻塞，直到输入数据可用、检查到文件结束或抛出异常
                int len = inputStream.read(bytes);
                if (len != -1) {
                    String content = new String(bytes, 0, len);
                    System.out.printf("[%s] - 接收客户端发来的内容：%s\n", Thread.currentThread().getName(), content);
                } else {
                    System.out.printf("[%s] - 连接关闭...\n", Thread.currentThread().getName());
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

客户端示例代码

客户端代码相对比较简单，连接成功后进行通信即可。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

/**
 * @author 码农StayUp
 * @date 2021/4/6 0006
 */
public class BioClient {

    private static final String HOST = "127.0.0.1";
    private static final int PORT = 8080;

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

        // 创建 Socket
        Socket socket = new Socket();
        // 连接远程端点
        socket.connect(new InetSocketAddress(HOST, PORT));
        System.out.printf("连接成功，主机：%s，端口：%s\n", HOST, PORT);
        // 获取输出流
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        // 获取控制输入内容
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            System.out.print("请输入：");
            String content = scanner.nextLine();
            if ("quit".equals(content)) {
                break;
            }
            // 将控制台内容写入输出流
            outputStream.write(content.getBytes());
        }
        outputStream.close();
        scanner.close();
        socket.close();
    }
}