【知识积累】BIO&NIO&AIO模型快速实战
本文源码：GitHub - axin1240101543/netty: netty实战（有什么问题可以提issue给我，一起学习，共同进步。）
一、BIO
1、BIOServer
package com.darren.service.netty.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
/**
* netty
* BIO服务端
* 同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程
*
* 缺点：
* 1、IO代码里的accept、read操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源
* 2、如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10k问题
*
* 应用场景：
* 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，但程序简单易理解
*
* 优化：可使用线程池
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月21日 21:26:27
**/
public class SocketServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true){
System.out.println("等待连接...");
//阻塞方法
//接收客户端的连接，没有客户端连接就阻塞
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接了...");
handler(clientSocket);
//优化
/*ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(30);
executorService.submit(() -> handler(clientSocket));*/
}
}
private static void handler(Socket clientSocket){
byte[] bytes = new byte[1024];
System.out.println("准备read...");
//阻塞方法
//接收客户端的数据，没有数据可读时就阻塞
int length = 0;
try {
length = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("读取完毕...");
if (length != -1){
System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes));
}
//给服务端输出HelloClient
try {
clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
clientSocket.getOutputStream().flush();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
2、BIOClient
package com.darren.service.netty.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
/**
* netty
* BIO客户端
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月21日 21:45:57
**/
public class SocketClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
//向服务端发送数据
socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
socket.getOutputStream().flush();
System.out.println("向服务端发送数据结束");
byte[] bytes = new byte[1024];
//接收服务端回传的数据
socket.getInputStream().read(bytes);
System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
socket.close();
}
}
二、NIO
1、NIOServer
package com.darren.service.netty.nio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
/**
* netty
* NIO服务端
*
* 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用
* 器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1.4开始引入。
*
* 缺点：
* 1、外层循环会导致CPU100%
* 2、如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有10000个连接，其中只有1000个连接有写数据，但是由于其他9000个连接并
* 没有断开，我们还是要每次轮询遍历一万次，其中有十分之九的遍历都是无效的，这显然不是一个让人很满意的状态。
*
*
* 应用场景：
* 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， 弹幕系统， 服务器间通讯，编程比较复杂
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月21日 22:13:55
**/
public class NIOServer {
private static List clientSocketList = new ArrayList();
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建NIO ServerSocketChannel 和BIO的ServerSocket类似
ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
//配置ServerSocketChannel为非阻塞，如配置为阻塞，则和BIO一样
serverSocket.configureBlocking(false);
System.out.println("服务启动成功...");
while (true){
//非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞
//NIO的非阻塞是有操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
SocketChannel clientSocket = serverSocket.accept();
if (clientSocket != null){
System.out.println("连接成功...");
//设置SocketChannel为非阻塞
clientSocket.configureBlocking(false);
//将客户端保存在List中
clientSocketList.add(clientSocket);
}
//遍历所有客户端进行数据读取
Iterator iterator = clientSocketList.iterator();
while (iterator.hasNext()){
SocketChannel sc = iterator.next();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
//非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞
int length = sc.read(byteBuffer);
//如果有数据，把数据打印出来
if (length > 0){
System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
}else if (length == -1){
//如果客户端断开连接，把SocketChannel从集合中去掉
iterator.remove();
System.out.println("客户端断开连接...");
}
}
}
}
}
2、使用多路复用器的NIOServer
package com.darren.service.netty.nio;
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.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
/**
* netty
* 使用Selector的NIO服务端
*
* NIO有三大核心组件：Channel(通道)，Buffer(缓冲区)，Selector(多路复用器)
* 1、channel类似于流，每个channel对应一个buffer缓冲区，buffer底层就是个数组
* 2、channel会注册到selector上，由selector根据channel读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理
* 3、NIO的Buffer和channel都是既可以读也可以写
*
* NIO底层在JDK1.4版本是用linux的内核函数select()或poll()来实现，跟上面的NioServer代码类似，selector每次都会轮询所有的
* sockchannel看下哪个channel有读写事件，有的话就处理，没有就继续遍历，JDK1.5开始引入了epoll基于事件响应机制来优化NIO。
*
* 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，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，进
* 行事件的异步通知，这样就实现了使用一条线程，并且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。
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月23日 18:37:27
**/
public class NIOSelectorServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建NIO ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
//配置ServerSocketChannel为非阻塞
serverSocketChannel.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
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务启动成功");
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SelectorKey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 clientSocketChannel = server.accept();
clientSocketChannel.configureBlocking(false);
//这里只注册的读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("客户端连接成功...");
}else if (key.isReadable()){
SocketChannel clientSocketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
int length = clientSocketChannel.read(byteBuffer);
//如果有数据，把数据打印出来
if (length > 0){
System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
}else if (length == -1){
//如果客户端断开连接，关闭Socket
System.out.println("客户端断开连接...");
clientSocketChannel.close();
}
}
//从事件集合中删除本次处理的key，防止下次select重复处理
iterator.remove();
}
}
}
}
三、AIO
1、AIOServer
package com.darren.service.netty.aio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
/**
* netty
* AIO服务端
*
* 异步非阻塞， 由操作系统完成后回调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
* 应用场景：
* AIO方式适用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构，JDK7 开始支持
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月23日 21:19:35
**/
public class AIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
final AsynchronousServerSocketChannel severSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel
.open()
.bind(new InetSocketAddress(8080));
severSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler() {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel clientSocketChannel, Object attachment) {
try {
System.out.println("客户端连接成功...ThreadName2:" + Thread.currentThread().getName());
//在此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接不上服务器
severSocketChannel.accept(attachment, this);
System.out.println("RemoteAddress:" + clientSocketChannel.getRemoteAddress());
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
clientSocketChannel.read(byteBuffer, byteBuffer, new CompletionHandler() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
System.out.println("ThreadName3:" + Thread.currentThread().getName());
buffer.flip();
System.out.println("接收到客户端的消息：" + new String(buffer.array(), 0, result));
clientSocketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
System.out.println("服务启动成功...ThreadName1:" + Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
2、AIOClient
package com.darren.service.netty.aio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
/**
* netty
* AIO客户端
*
* @author : Darren
* @date : 2021年05月23日 21:43:12
**/
public class AIOClient {
public static void main(String[] args) throws IOException, ExecutionException, InterruptedException {
AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080)).get();
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("Hello Server".getBytes()));
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Integer length = socketChannel.read(byteBuffer).get();
if (length != -1){
System.out.println("客户端接收信息:" + new String(byteBuffer.array(), 0, length));
}
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
四、BIO、NIO、AIO对比
| BIO | NIO | AIO | |
| IO模型 | 同步阻塞 | 同步非阻塞 | 异步非阻塞 |
| 编程难度 | 简单 | 复杂 | 复杂 |
| 可靠性 | 差 | 好 | 好 |
| 吞吐量 | 低 | 高 | 高 |
五、同步异步与阻塞非阻塞（举例）
老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
老张觉得自己有点傻
2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。
3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
老张觉得这样傻等意义不大
4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）
老张觉得自己聪明了。
所谓同步异步，只是对于水壶而言。
普通水壶，同步；响水壶，异步。
虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。
同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。
立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。