java架构之路-（netty专题）初步认识BIO、NIO、AIO
小菜技术 人气:3本次我们主要来说一下我们的IO阻塞模型，只是不多，但是一定要理解，对于后面理解netty很重要的
IO模型精讲
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
BIO(Blocking IO) 同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程。也是我们熟悉的同步阻塞模型，先别管那个同步的概念，我们先来看一下什么是阻塞，简单来一段代码。
服务端：
package com.xiaocai.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 socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接了。。");
handler(socket);
}
}
private static void handler(Socket socket) throws IOException {
System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
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 = socket.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));
System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
}
socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
socket.getOutputStream().flush();
}
}
客户端
package com.xiaocai.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
public class SocketClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 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();
}
}
这个就是一个简单的BIO服务端代码，就是要准备接受线程访问的代码段。这一个单线程版本什么意思呢？
我们先开启一个端口为9000的socket服务，然后运行Socket socket = serverSocket.accept();意思就是等待线程的出现，我们来接收客户端的请求，这个方法时阻塞的，也是只有在阻塞状态才可以接收到我们的请求。当有请求进来时，运行handler(socket);方法，中间是打印线程ID的方法不解释，int read = socket.getInputStream().read(bytes);准备读取我们的客户端发送数据。read和write可能会混淆，我画个图来说一下。
我们也可以看到我们的客户端也是先拿到socket连接（Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9000)），然后要往服务端写入数据（socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());）以byte字节形式写入。这时我们的服务端等待read我们的客户端weite的数据，会进入阻塞状态，如果我们的客户端迟迟不写数据，我们的客户端一直是阻塞状态，也就无法接收到新的请求，因为阻塞了，没法回到我们的Socket socket = serverSocket.accept();去等待客户端请求，只要在serverSocket.accept阻塞时才可以接收新的请求。于是我们采取了多线程的方式来解决这个问题，我们来看一下代码。
package com.xiaocai.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 socket = serverSocket.accept();
System.out.println("有客户端连接了。。");
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
handler(socket);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
private static void handler(Socket socket) throws IOException {
System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
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 = socket.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));
System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
}
socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
socket.getOutputStream().flush();
}
}
我们这时每次有客户端来新的请求时，我们就会开启一个线程来处理这个请求，及时你的客户端没有及时的write数据，虽然我们的服务端read进行了阻塞，也只是阻塞了你自己的线程，不会造成其它请求无法接收到。
这样的处理方式貌似好了很多很多，其实不然，想一个实例，我们的看小妹直播时，一句欢迎榜一大哥，弹幕很多，加入一次性来了100弹幕还好，我们开启100个线程来处理，如果一起来了十万弹幕呢？难道你要开启十万个线程来处理这些弹幕嘛？很显然BIO还是有弊端的，BIO还是有优点的（代码少，不容易出错）。
NIO
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。 可能概念太抽象了，我来举个例子吧，现在有两个小区都有很多的房子出租，BIO小区和NIO小区，都有一个门卫，BIO小区，来了一个租客，门卫大爷就拿着钥匙，带这个租客去看房子了，后面来的租客都暂时无法看房子了，尴尬...想同时多人看房子，必须增加门卫大爷的数量，而我们的NIO小区就很聪明，还是一个门卫大妈，来了一个租客要看房子，门卫大妈，给了那个租客一把钥匙，并且告诉他哪房间是空的，你自己进去看吧，及时这个租客看房子慢，耽误了很多时间也不怕了，因为门卫大妈一直在门卫室，即使又来了新的租客，门卫大妈也是如此，只给钥匙和空房间地址就可以了。这个例子反正我记得很清楚，也觉得很贴切，这里提到了一个钥匙的概念，一会告诉你们是做什么的，我们先看一下代码。
服务端
package com.xiaocai.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;
public class NIOServer {
//public static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道.并设置为非阻塞方式
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
//必须配置为非阻塞才能往selector上注册，否则会报错，selector模式本身就是非阻塞模式
ssc.configureBlocking(false);
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
// 创建一个选择器selector
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
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
System.out.println("等待事件发生。。");
// 轮询监听channel里的key，select是阻塞的，accept()也是阻塞的
int select = selector.select();
System.out.println("有事件发生了。。");
// 有客户端请求，被轮询监听到
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = it.next();
//删除本次已处理的key，防止下次select重复处理
it.remove();
handle(key);
}
}
}
private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {
if (key.isAcceptable()) {
System.out.println("有客户端连接事件发生了。。");
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
//NIO非阻塞体现：此处accept方法是阻塞的，但是这里因为是发生了连接事件，所以这个方法会马上执行完，不会阻塞
//处理完连接请求不会继续等待客户端的数据发送
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
//通过Selector监听Channel时对读事件感兴趣
sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
System.out.println("有客户端数据可读事件发生了。。");
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//NIO非阻塞体现:首先read方法不会阻塞，其次这种事件响应模型，当调用到read方法时肯定是发生了客户端发送数据的事件
int len = sc.read(buffer);
if (len != -1) {
System.out.println("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
}
ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
sc.write(bufferToWrite);
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
} else if (key.isWritable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
System.out.println("write事件");
// NIO事件触发是水平触发
// 使用Java的NIO编程的时候，在没有数据可以往外写的时候要取消写事件，
// 在有数据往外写的时候再注册写事件
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
//sc.close();
}
}
}
客户端
package com.xiaocai.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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
public class NioClient {
//通道管理器
private Selector selector;
/**
* 启动客户端测试
*
* @throws IOException
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
NioClient client = new NioClient();
client.initClient("127.0.0.1", 9000);
client.connect();
}
/**
* 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
*
* @param ip 连接的服务器的ip
* @param port 连接的服务器的端口号
* @throws IOException
*/
public void initClient(String ip, int port) throws IOException {
// 获得一个Socket通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 设置通道为非阻塞
channel.configureBlocking(false);
// 获得一个通道管理器
this.selector = Selector.open();
// 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
//用channel.finishConnect() 才能完成连接
channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
//将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
}
/**
* 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
*
* @throws IOException
*/
public void connect() throws IOException {
// 轮询访问selector
while (true) {
selector.select();
// 获得selector中选中的项的迭代器
Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
// 删除已选的key,以防重复处理
it.remove();
// 连接事件发生
if (key.isConnectable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 如果正在连接，则完成连接
if (channel.isConnectionPending()) {
channel.finishConnect();
}
// 设置成非阻塞
channel.configureBlocking(false);
//在这里可以给服务端发送信息哦
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes());
channel.write(buffer);
//在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); // 获得了可读的事件
} else if (key.isReadable()) {
read(key);
}
}
}
}
/**
* 处理读取服务端发来的信息 的事件
*
* @param key
* @throws IOException
*/
public void read(SelectionKey key) throws IOException {
//和服务端的read方法一样
// 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 创建读取的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int len = channel.read(buffer);
if (len != -1) {
System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
}
}
}
代码看到了很多很多，我来解释一下大概什么意思吧，这个NIO超级重要后面的netty就是基于这个写的，一定要搞懂，首先我们创建了一个ServerSocketChannel和一个选择器selector，设置为非阻塞的（固定写法，没有为什么），将我们的 selector绑定到我们的ServerSocketChannel上，然后运行selector.select();进入阻塞状态，别担心，这个阻塞没影响，为我们提供了接收客户端的请求，你没有请求，我阻塞着，不会耽误你们什么的。
回到我们的客户端，还是差不多的样子，拿到我们的NioClient开始连接我们的服务端，这个时候，我们的服务端接收到了我们的客户端请求，阻塞状态的selector.select()继续运行，并且给予了一个SelectionKey（Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator()）也就是我们刚才的小例子中提到的钥匙，key=钥匙，还算是靠谱吧~！开始运行我们的handle方法，有个if else，这个是说，你是第一次请求要建立通道，还是要写数据，还是要读取数据，记住啊，读写都是相对的，自己多琢磨几次就可以转过圈来了，就是我上面画图说的read和write。拿我们的建立通道来说，通过我们的钥匙key你就可以得到ServerSocketChannel，然后进行设置下次可能会发生的读写事件，然后看我们的读事件，我们看到了int len = sc.read(buffer)这个读在我们的BIO中是阻塞的，而我们的NIO这个方法不是阻塞的，这也就体现出来了我们的BIO同步阻塞和NIO同步非阻塞，阻塞和非阻塞的区别也就说完了。画个图，我们来看一下我们的NIO模型。
NIO 有三大核心组件： Channel(通道)， Buffer(缓冲区)，Selector(选择器)
这里我们的Buffer没有去说，到netty会说的， Channel(通道)， Buffer(缓冲区)都是双向的，现在回过头来想想我举的小例子，selector门卫大妈，SelectionKey钥匙。对于NIO有了一些理解了吧，NIO看着很棒的，但是你有想过写上述代码的痛苦吗？
AIO
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。其实AIO就是对于NIO的二次封装，要不怎么叫做NIO2.0呢，我们来简单看一下代码。
服务端：
package com.xiaocai.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<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
try {
// 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<Integer, ByteBuffer>() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
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();
}
});
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
客户端：
package com.xiaocai.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));
}
}
}
阻塞非阻塞都明白了，这里来解释一下同步，我们看到我们的AIO在serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {}直接开启了线程，也就是说accept直接以后，我不再需要考虑阻塞情况，可以继续运行下面的代码了，也就是我们说到的异步执行，内部还是我们的NIO，不要觉得AIO多么的6B，内部就是封装了我们的NIO，性能和NIO其实差不多的，可能有些时候还不如NIO（未实测）。
遗漏一个知识点，NIO的多路复用器是如何工作的，在我们的JDK1.5以前的，多路复用器是数组和链表的方式来遍历的，到了我们的JDK1.5采用hash来回调的。
总结：
我们这次主要说了BIO、NIO、AIO三个网络编程IO模式，最重要的就是我们的NIO，一张图来总结一下三个IO的差别吧。
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