Java网络编程-深入理解BIO、NIO

深入理解BIO与NIO

BIO

BIO 为 Blocked-IO（阻塞 IO），在 JDK1.4 之前建立网络连接时，只能使用 BIO

使用 BIO 时，服务端会对客户端的每个请求都建立一个线程进行处理，客户端向服务端发送请求后，先咨询服务端是否有线程响应，如果没有就会等待或者被拒绝

BIO 基本使用代码：

服务端：

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.创建ServerSocket对象
        System.out.println("服务端 启动....");
        System.out.println("初始化端口 7777 ");
        ServerSocket ss = new ServerSocket(7777); //端口号
        while (true) {
            // 2.监听客户端
            Socket s = ss.accept(); //阻塞
            // 3.从连接中取出输入流来接收消息
            InputStream is = s.getInputStream(); //阻塞
            byte[] b = new byte[10];
            is.read(b);
            String clientIP = s.getInetAddress().getHostAddress();
            System.out.println(clientIP + "说:" + new String(b).trim());
            // 4.从连接中取出输出流并回话
            OutputStream os = s.getOutputStream();
            os.write("服务端回复".getBytes());
            // 5.关闭
            s.close();
        }
    }
}

客户端：

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while (true) {
            // 1.创建Socket对象
            Socket s = new Socket("127.0.0.1", 7777);
            // 2.从连接中取出输出流并发消息
            OutputStream os = s.getOutputStream();
            System.out.println("请输入:");
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            String msg = sc.nextLine();
            os.write(msg.getBytes());
            // 3.从连接中取出输入流并接收回话
            InputStream is = s.getInputStream(); //阻塞
            byte[] b = new byte[20];
            is.read(b);
            System.out.println("客户端发送消息:" + new String(b).trim());
            // 4.关闭
            s.close();
        }
    }
}

BIO 缺点：

• Server 端会为客户端的每一个连接请求都创建一个新的线程进行处理，如果客户端连接请求数量太多，则会创建大量线程

NIO

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)，NIO 弥补了 BIO 的不足，在服务端不需要为客户端大量的请求而建立大量的处理线程，只需要用很少的线程就可以处理很多客户端请求

NIO 和 BIO 有着相同的目的和作用，但是它们的实现方式完全不同；

• BIO 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据，块 IO 的效率比流 IO 高很多。
• NIO 是非阻塞式的，这一点跟 BIO 也很不相同，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

NIO 有三大核心部分：

• Channel通道
• Buffer缓冲区
• Selector选择器

使用 NIO 时，数据是基于 Channel 和 Buffer 进行操作的，数据从 Channel 被读取到 Buffer 或者相反，Selector 用于监听多个 Channel 通道的事件（连接事件、读写事件），通过 Selector 就可以实现单个线程来监听多个客户端通道

NIO 中的 Channel 用来建立到目标的一个连接，在 BIO 中流是单向的，例如 FileInputStream 只能进行读取操作，而在 NIO 中 Channel 是双向的，既可以读也可以写

NIO 工作流程图如下：Server 端通过单线程来监听多个客户端 Channel 通道中的事件并进行处理

NIO 使用示例

服务端：

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 开启一个ServerSocketChannel通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 2. 开启一个Selector选择器
        Selector selector = Selector.open();
        // 3. 绑定端口号8888
        System.out.println("服务端 启动....");
        System.out.println("初始化端口 8888 ");
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
        // 4. 配置非阻塞方式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 5. Selector选择器注册ServerSocketChannel通道，绑定连接操作
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        // 6. 循环执行：监听连接事件及读取数据操作
        while (true) {
            // 6.1 监控客户端连接：selecto.select()方法返回的是客户端的通道数，如果为0，则说明没有客户端连接。
            if (selector.select(2000) == 0) {
                System.out.println("服务端等待客户端连接中~");
                continue;
            }
            // 6.2 得到SelectionKey,判断通道里的事件
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
            // 遍历所有SelectionKey
            while (keyIterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                // 客户端连接请求事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    System.out.println("服务端处理客户端连接事件：OP_ACCEPT");
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 服务端建立与客户端之间的连接通道 SocketChannel，并且将该通道注册到 Selector 中，监听该通道的读事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                }
                // 读取客户端数据事件
                if (key.isReadable()) {
                    // 数据在通道中，先拿到通道
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    // 取到一个缓冲区，nio读写数据都是基于缓冲区。
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    // 从通道中将客户端发来的数据读到缓冲区
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("客户端数据长度：" + buffer.array().length);
                    System.out.println("客户端发来数据：" + new String(buffer.array()));
                }
                //  6.3 手动从集合中移除当前key,防止重复处理
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

客户端：

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 得到一个网络通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 2. 设置非阻塞方式
        channel.configureBlocking(false);
        // 3. 提供服务器端的IP地址和端口号
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
        // 4. 连接服务器端，如果用connect()方法连接服务器不成功，则用finishConnect()方法进行连接
        if (!channel.connect(address)) {
            // 因为接需要花时间，所以用while一直去尝试连接。在连接服务端时还可以做别的事，体现非阻塞。
            while (!channel.finishConnect()) {
                // nio 作为非阻塞式的优势，如果服务器没有响应（不启动服务端)，客户端不会阻塞，最后会报错，客户端尝试连接服务器连不上。
                System.out.println("客户端等待连接建立时，执行其他任务~");
            }
        }
        // 5. 得到一个缓冲区并存入数据
        String msg = "客户端发送消息：hello";
        ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        // 6. 发送数据
        channel.write(writeBuf);
        // 阻止客户端停止，否则服务端也会停止。
        System.in.read();
    }
}

AIO

JDK 7 引入了 Asynchronous IO，即 AIO，叫做异步不阻塞的 IO，也可以叫做 NIO2

在进行 IO 编程中，常用到两种模式：Reactor模式 和 Proactor 模式

• NIO采用 Reactor 模式，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理
• AIO采用 Proactor 模式，引入异步通道的概念，简化了程序编写，一个有效的请求才启动一个线程，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