Java-网络编程-BIO&NIO&AIO

一、IO模型

IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收,Java共支持3种网络编程IO模式:BIO,NIO,AIO

BIO(Blocking IO)

同步阻塞模型,一个客户端连接对应一个处理线程

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BIO代码示例:

package com.tuling.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据,阻塞方法,没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            System.out.println("接收到客户端的数据:" + new String(bytes, 0, read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}
//客户端代码
public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //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();
    }
}

缺点:

  1. IO代码里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。

NIO(Non Blocking IO)

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。

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

NIO非阻塞代码示例:

package com.tuling.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;

public class NioServer {

    // 保存客户端连接
    static List channelList = new ArrayList<>();

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

        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        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的非阻塞是由操作系统内部实现的,底层调用了linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) { // 如果有客户端进行连接
                System.out.println("连接成功");
                // 设置SocketChannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 保存客户端连接在List中
                channelList.add(socketChannel);
            }
            // 遍历连接进行数据读取
            Iterator iterator = channelList.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 len = sc.read(byteBuffer);
                // 如果有数据,把数据打印出来
                if (len > 0) {
                    System.out.println("接收到消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) { // 如果客户端断开,把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

总结: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。

NIO引入多路复用器代码示例:

package com.tuling.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;

public class NioSelectorServer {

    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);
        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 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);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) {  // 如果是OP_READ事件,则进行读取和打印
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据,把数据打印出来
                    if (len > 0) {
                        System.out.println("接收到消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接,关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        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();
            }
        }
    }
}

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

注意:多路复用器selector包含了所有channel的accpet、read监听事件,若有事件发生便遍历所有的channel确定有事件的channel,而后进行的accpet、read操作就会畅通无阻,这也是NIO非阻塞的前提原因。

注意:多路复用器selector监听ServerSocketChannel的accpet事件发生后才会创建SocketChannel,同时创建的SocketChannel还要注册read事件。

注意:SocketChannel对象客户端和服务端两侧都有,同时对应的buffer也是。

image.png

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。

NioSelectorServer 代码里如下几个方法非常重要,我们从Hotspot与Linux内核函数级别来理解下

Selector.open()  //创建多路复用器
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)  //将channel注册到多路复用器上
selector.select()  //阻塞等待需要处理的事件发生

问题:NIO中selector.select()使用epoll形式监听事件的时候,事件依次过来后直接触发线程依次进行处理,为什么还需要循环遍历事件处理呢?

  • 因为selector.select()使用epoll形式监听事件的时候,有事件触发后不会马上进行处理,而是有时间延后的,期间有多个事件触发的话,会统一放在缓存列表中时间一到统一处理。
select poll epoll(jdk 1.5及以上)
操作方式 遍历 遍历 回调
底层实现 数组 链表 哈希表
IO效率 每次调用都进行线性遍历,时间复杂度为O(n) 每次调用都进行线性遍历,时间复杂度为O(n) 事件通知方式,每当有IO事件就绪,系统注册的回调函数就会被调用,时间复杂度O(1)
最大连接 有上限 无上限 无上限

Redis线程模型
Redis就是典型的基于epoll的NIO线程模型(nginx也是),epoll实例收集所有事件(连接与读写事件),由一个服务端线程连续处理所有事件命令。

AIO(NIO 2.0)

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

AIO代码示例:

package com.tuling.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;

public class AIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {
                    System.out.println("2--"+Thread.currentThread().getName());
                    // 再此接收客户端连接,如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("1--"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}
package com.tuling.aio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

public class AIOClient {

    public static void main(String... args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            System.out.println("客户端收到信息:" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}
BIO NIO AIO
IO模型 同步阻塞 同步非阻塞(多路复用) 异步非阻塞
编程难度 简单 复杂 复杂
可靠性
吞吐量

为什么Netty使用NIO而不是AIO?
在Linux系统上,AIO的底层实现仍使用Epoll,没有很好实现AIO,因此在性能上没有明显的优势,而且被JDK封装了一层不容易深度优化,Linux上AIO还不够成熟。Netty是异步非阻塞框架,Netty在NIO上做了很多异步的封装。

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