温故知新-java的I/O模型-BIO&NIO&AIO

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摘要

通过温故知新-快速理解Linux网络IO的回顾，我们了解Linux下网络编程的5种I/O模型&I/O多路复用，接下来回顾一下java中的I/O模型，包括BIO、NIO、AIO，为下一篇netty做铺垫。

传统的BIO编程

传统的BIO通信模型

问题

• 该模型最大的问题就是，客户端的线程个数和客户端的并发呈1:1的关系，线程切换将满满拖垮整个系统；
• 测试代码如下

---------- server ---------- 
@Log4j2
public class BioServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9090);
        while (true) {
            log.info("-- serverSocket before accept --");
            Socket socket = serverSocket.accept();
            log.info("-- serverSocket end accept --");
            new Thread(() -> {
                try {
                    // 读内容
                    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                    String readLine = bufferedReader.readLine();
                    log.info("thread:{} client :{}", Thread.currentThread().getName(), readLine);
                } catch (IOException e) {
                    log.error(e);
                }
            }).run();
        }
    }
}

---------- client ---------- 
@Log4j2
public class BioClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Integer tmp = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 9090);
                    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
                    PrintWriter printWriter = new PrintWriter(outputStream);
                    printWriter.write("client message index: " + tmp);
                    printWriter.flush();
                    log.info("index:{}", tmp);
                } catch (Exception e) {
                    log.error(e);
                }
            }).run();
        }

    }
}

伪异步I/O编程

• 为了解决线程耗尽的问题，引入了线程池，没本质区别；

NIO编程

NIO库是在JDK1.4引进的，弥补了原来同步阻塞I/O的不足，先看一下通信模型，直观的感受一下；

先了解三个概念：缓冲区（buffer）、通道（channel）、多路复用器（Selector）

• 缓冲区（buffer）

在NIO厍中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。
类型的缓存有很多种，eg：

• 通道（channel）

channel是一个通道，网络数据通过channel读取和写入；通道是双向的，流是单项的，流只是在一个方向移动（输入、输出），通道是双工的，可以同时读写，这个跟Unix TCP socket也是一致的；

• Selector

• 从上面的图中，最重要的就是Selector，这就是java实现I/O多路复用的核心；
• 一个Selector可以轮询多个注册到Selector的channel，如果某一个channel发送读写事件，channel就处于了就绪状态，就会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey获取就是Channel就绪集合，由于JDK使用了epoll()代替了传统的select轮询，所以没有1024的句柄限制。
• 跟BIO和伪异步IO相比，只用一个线程负责轮询，就可以接入成千上完的客户端，所以打好基础建设多么的重要！！

• 流程
  
• 测试代码

--------- server -----
@Log4j2
public class NioServer {

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

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        Selector selector = Selector.open();
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    if (selector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
                        SelectionKey key = null;
                        while (it.hasNext()) {
                            key = it.next();
                            try {
                                handle(key, selector);
                            } catch (Exception e) {
                                if (key != null) {
                                    key.cancel();
                                    if (key.channel() != null) {
                                        key.channel().close();
                                    }
                                }
                            } finally {
                                it.remove();
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (Throwable t) {
                t.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

    private static void handle(SelectionKey key, Selector selector) throws IOException {

        if (key.isValid()) {
            // 处理新接入的请求消息
            if (key.isAcceptable()) {
                log.info("new channel ...");
                // Accept the new connection
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                // Add the new connection to the selector
                sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            }
            if (key.isReadable()) {
                // Read the data
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if (readBytes > 0) {
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String data = new String(bytes, "UTF-8");
                    log.info("data:{}", data);
                } else if (readBytes < 0) {
                    // 对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }
            }
        }
    }
}

AIO编程

NIO 2.0引入了新的异步通的概念，提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

• 通过juc的Future表示异步操作的结果
• 在执行异步操作时传入channels
• CompletionHandler接口实现类作为操作完成的回调。

它是真正的异步非阻塞的IO模型，对应UNIX网络编程重的事件驱动I/O，不需要Selector对注册的通道进行轮询。

• 测试代码

@Log4j2
public class AioServer {

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

        AsynchronousServerSocketChannel channel = AsynchronousServerSocketChannel
                .open();
        channel.bind(new InetSocketAddress(9090));

        channel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
            @Override
            public void completed(final AsynchronousSocketChannel asynchronousSocketChannel, Void attachment) {
                channel.accept(null, this);

                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                asynchronousSocketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                    @Override
                    public void completed(Integer result_num, ByteBuffer attachment) {
                        attachment.flip();
                        CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024);
                        CharsetDecoder decoder = Charset.defaultCharset().newDecoder();
                        decoder.decode(attachment, charBuffer, false);
                        charBuffer.flip();
                        String data = new String(charBuffer.array(), 0, charBuffer.limit());
                        log.info("data:{}", data);
                        try {
                            asynchronousSocketChannel.close();
                        } catch (Exception e) {
                            log.info(e);
                        }
                    }

                    @Override
                    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                        log.info("read error");
                    }
                });
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                System.out.println("accept error");
            }
        });
        while (true){
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

几种IO模型的对比

netty

• 下一篇就轮到！

参考

-《Netty 权威指南》第二版 – 李林峰
-《netty实战》–何品

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