• IO模型


    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IO模型,一个客户端对应一个服务端

    bio

    服务端:

    @Slf4j
    public class BIOServer {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
            while (true) {
                log.info("服务端已启动,等待连接");
                // 阻塞
                Socket socket = serverSocket.accept();
                log.info("客户端已连接");
    
                // 单线程处理链接
                // handler(socket);
    
                // 多线程处理链接
                new Thread(new Runnable() {
                    @SneakyThrows
                    @Override
                    public void run() {
                        log.info("local-thread-{}", Thread.currentThread().getName());
                        handler(socket);
                    }
                }).start();
            }
        }
    
        private static void handler(Socket socket) throws IOException {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            log.info("获取客户端发送数据");
            // 接收数据,阻塞方法,没有数据可读时就阻塞
            int read = socket.getInputStream().read(bytes);
            if (read != -1) {
                log.info("接收客户数据: {}", new String(bytes, 0, read));
            }
    
            // 响应客户端
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            outputStream.write("server is connecting".getBytes());
            outputStream.flush();
        }
    }
    

    客户端:

    @Slf4j
    public class BIOClient {
        private static final String HOST = "localhost";
        private static final int PORT = 8080;
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            Socket socket = new Socket(HOST, PORT);
            // 发送数据
            OutputStream os = socket.getOutputStream();
            os.write("request server connect".getBytes());
            os.flush();
    
            // 接收数据
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream is = socket.getInputStream();
            int read = is.read(bytes);
            if (read != -1) {
                log.info("接收到来自服务端的数据: {}", new String(bytes, 0, read));
            }
    
            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IO模型,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。

    nio

    普通模型:

    @Slf4j
    public class NIOServer {
        static List<SocketChannel> channelList = Lists.newArrayList();
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            // 创建 NIO 通道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定服务端口地址
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 设置通道为非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            log.info("服务端已启动,等待连接");
    
            while (true) {
                // 非阻塞模式 accept() 方法不会阻塞。阻塞模式则会阻塞,即 socketChannel.configureBlocking(ture)
                // 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 = serverSocketChannel.accept();
                if (!ObjectUtils.isEmpty(socketChannel)) {
                    log.info("客户端已连接: {}", socketChannel.getRemoteAddress());
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 连接成功放到 channelList 中
                    channelList.add(socketChannel);
                }
    
                // 读取 channel
                Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SocketChannel channel = iterator.next();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
    
                    // 非阻塞模式 read() 方法不会阻塞。阻塞模式则会阻塞
                    int read = channel.read(byteBuffer);
                    if (read > 0) {
                        log.info("接收客户 {}, 数据: {}", channel.getRemoteAddress(), new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (read < 0) {
                        //
                        iterator.remove();
                        log.info("客户端已断开连接");
                    }
                }
            }
        }
    }
    

    如上,如果有很多连接,每一个连接都需要通过iterator遍历获取数据,如果该连接无数据发送,则会产生很多无用的遍历。

    多路复用器模型:

    @Slf4j
    public class NIOSelectorServer {
    
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            // 创建 NIO 通道
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定服务端口地址
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 设置通道为非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            // 打开 Selector 处理 Channel,即创建 epoll
            Selector selector = Selector.open();
            // Channel 注册到 selector 上,并 selector 对客户端 accept 操作监听
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            log.info("服务端已启动,等待连接");
    
            while (true) {
                // 阻塞等待需要处理的事件发生
                selector.select();
                // 获取 selector 中注册的全部事件中的 selectedKeys 实例
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
    
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
                // 遍历对 selectionKeys 事件进行处理
                while (keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = keyIterator.next();
                    // 是 OP_ACCEPT 事件,则进行后续的获取数据和事件注册
                    if (selectionKey.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel serverSocket = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                        SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        // 注册 OP_READ 事件,需要给客户端发送数据,则注册 OP_WRITE 即可
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        log.info("客户端已连接: {}", socketChannel.getRemoteAddress());
    
                        // 是 OP_READ 事件,则获取客户端发送的数据
                    } else if (selectionKey.isReadable()) {
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                        int read = socketChannel.read(byteBuffer);
                        if (read > 0) {
                            log.info("接收客户 {}, 数据: {}", socketChannel.getRemoteAddress(), new String(byteBuffer.array()));
                        } else if (read < 0) {
                            socketChannel.close();
                            log.info("客户端已断开连接");
                        }
                    }
                    // selectionKeys 没有对应事件即移除,防止下次 seletor 重复处理
                    keyIterator.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 Bufferchannel 都是既可以读也可以写

    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

    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

    异步模型:

    @Slf4j
    public class AIOServer {
        public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
            AsynchronousServerSocketChannel assc = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));
            assc.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
                @SneakyThrows
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                    log.info("connet -- {}", Thread.currentThread().getName());
                    // 在此接收客户端连接,否则后面的客户端连接不上服务端
                    assc.accept(attachment, this);
                    log.info("客户端:{}", socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(byteBuffer, byteBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                            log.info("read -- {}", Thread.currentThread().getName());
                            byteBuffer.flip();
                            log.info("客户端请求数据:{}", new String(byteBuffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("This is response data".getBytes()));
                        }
    
                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                            log.error("read error: {}", exc.getMessage());
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                }
    
                @Override
                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                    log.error("connect error: {}", exc.getMessage());
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
    
            log.info("main -- {}", Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        }
    }
    

    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

    对比

    compare

    资料

    【公众号】网络 IO 演变发展过程和模型介绍

    【B站视频】IO多路复用底层原理全解


    收录时间: 2021/02/24

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