JAVA BIO,NIO,Reactor模式总结

传统同步阻塞I/O（BIO）

在NIO之前编写服务器使用的是同步阻塞I/O（Blocking I/O）。下面是一个典型的线程池客服端服务器示例代码，这段代码在连接数急剧上升的情况下，这个服务器代码就会不好使了，因为serverSocket.accept()，以及IO的read()，write()方法都是同步阻塞的，虽然通过线程池，避免频繁创建线程开销，但是该系统过于依赖线程，一个是线程的创建和销毁很耗时，再者线程的切换开销很大，尤其是在高并发的情况下系统压力不堪设想。

BIO线程池客服端服务器示例代码

/**
 * BIO服务器
 * @author monkjavaer
 * @date 2019/7/17 13:55
 */
public class BioServer {
    public static final int PORT = 8888;
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket(PORT);
            Socket socket = null;
            ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactory() {
                @Override
                public Thread newThread(Runnable r) {
                    Thread t = new Thread(r);
                    t.setName("demo-pool-%d");
                    return t;
                }
            };
            //通过线程池，避免频繁创建线程开销
            ExecutorService singleThreadPool = new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

            //主线程死循环等待新连接到来
            while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                socket = serverSocket.accept();
                singleThreadPool.execute(new BioServerHandler(socket));
            }
        } catch (IOException e) {
            //TODO异常处理
        } finally {
         //TODO关闭资源
        }
    }
}

/**
 * BIO服务器事件处理方法
 * @author monkjavaer
 * @date 2019/7/17 14:00
 */
public class BioServerHandler implements Runnable {
    private Socket socket;
    public BioServerHandler(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            byte[] input = new byte[1024];
            //服务器接收的数据
            socket.getInputStream().read(input);
            byte[] output = "服务器返回数据".getBytes();
            socket.getOutputStream().write(output);
       } catch (IOException e) {
            //TODO异常处理
        } finally {
         //TODO关闭资源
        }
    }
}

/**
 * 服务端
 * @author monkjavaer
 * @date 2019/7/17 15:06
 */
public class BioClient {
    public static final int PORT = 8888;
    public static final String IP = "127.0.0.1";
    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = null;
        PrintWriter printWriter = null;
        try {
            socket = new Socket(IP,PORT);
            socket.setSoTimeout(5000);
            printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            printWriter.println("客户端发送数据");
            printWriter.flush();
        } catch (IOException e) {
            //TODO异常处理
        } finally {
         //TODO关闭资源
        }
    }
}

NIO（非阻塞I/O）

NIO就是非阻塞I/O（Non-blocking I/O）

NIO重要组件回顾

• 缓冲区（Buffer）：一个Buffer对象是固定数量的数据的容器。其作用是一个存储器，或者分段运输区，在这里数据可被存储并在之后用于检索。ByteBuffer、IntBuffer、CharBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer都是其实现类。
• 通道（Channel）：Channel 用于在字节缓冲区和位于通道另一侧的实体（通常是一个文件或套接字）之间有效地传输数据。 Channel是全双工的。
• 选择器（Selector）：Selector是NIO的多路复用器。Selector会不断轮询注册在它上面的通道Channel,找出就绪状态的Channel(Channel通道发生读、写事件)。Selector是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别。Linux 上依赖于epoll;所以没有最大句柄的限制，因此一个线程做Selector轮询就能接入大量的客户端连接。

NIO服务器示例代码

NIO实现服务器代码步骤非常多，比较繁杂，所以推荐使用成熟的NIO框架Netty等。

public class NioServer implements Runnable {
    private static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(NioServer.class);
    @Override
    public void run() {
        try {
            //1、打开ServerSocketChannel，监听客户端的链接
            ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
            //2、绑定监听端口,设置backlog（默认50）:请求传入连接队列的最大长度
            serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9011), 1024);
            //3、false,设置为非阻塞模式
            serverSocket.configureBlocking(false);
            //4、创建Selector，Selector是NIO的多路复用器，Selector会不断轮询注册在它上面的通道Channel,
            //找出就绪状态的Channel(Channel通道发生读、写事件)。
            Selector selector = Selector.open();
            //5、注册通道Channel到多路复用器Selector，并说明关注点SelectionKey.OP_ACCEPT，监听ACCEPT事件
            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            LOGGER.info("Listening on port {}" , 9011);

            //6、Selector轮询就绪的Channel
            while (true) {
                // 阻塞等待就绪的 Channel，这是关键点之一
                //selector1秒被唤醒
                int n = selector.select(1000);
                if (n == 0) {
                    continue;
                }
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if (key.isValid()) {

                        if (key.isAcceptable()) {
                            //SelectionKey可以获取就绪状态的Channel
                            ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                            //7、多路复用器Selector监听到有新的客户端连接，完成TCP三次握手建立连接。
                            SocketChannel clientSocketChannel = serverSocketChannel.accept();
                            //8、设置客户端SocketChannel为非阻塞模式
                            clientSocketChannel.configureBlocking(false);
                            //9、注册加入新的通道OP_READ
                            clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        }

                        //读取客户端数据
                        //if(key.isReadable())等价于if((key.readyOps( ) & SelectionKey.OP_READ) != 0)
                        if (key.isReadable()) {
                            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                            //创建buffer
                            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            int readPosition = socketChannel.read(readBuffer);
                            if (readPosition > 0) {
                                //flip()方法，Buffer从写模式切换到读模式,将limit设置为position，position设为0。
                                readBuffer.flip();
                                byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                                //从可读buffer中读取数据
                                readBuffer.get(bytes);
                                LOGGER.info("接收客户端发送消息：{}" , new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8));

                                byte[] sendBytes = "server 收到".getBytes();
                                ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                writeBuffer.flip();
                                //put 向buffer添加元素
                                writeBuffer.put(sendBytes);
                                socketChannel.write(writeBuffer);
                            }

                            if (readPosition < 0) {
                                // Close channel on EOF, invalidates the key
                                key.cancel();
                                socketChannel.close();
                            }
                        }
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new NioServer()).start();
    }
}

public class NioClient {
    private static Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(NioClient.class);
    private static int PORT = 9011;
    private static String[] messages = {"这是服务器"};

    public static void main(String[] args) {
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), PORT));
            for (String msg : messages) {
                ByteBuffer myBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                myBuffer.put(msg.getBytes());
                myBuffer.flip();
                socketChannel.write(myBuffer);
            }
            LOGGER.info("Closing Client connection...");
            socketChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            LOGGER.error(e.getMessage());
        }
    }

}

Reactor模式

Reactor模式首先是事件驱动的，有一个或多个并发输入源，有一个Service Handler，有多个Request Handlers；这个Service Handler会同步的将输入的请求（Event）多路复用的分发给相应的Request Handler。是一种为处理并发服务请求，并将请求提交到一个或者多个服务处理程序的事件设计模式。

Reactor模式模块组成

http://www.blogjava.net/DLevin/archive/2015/09/02/427045.html

Scalable IO in Java原文和翻译

http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf
https://www.cnblogs.com/luxiaoxun/archive/2015/03/11/4331110.html

Reactor An Object Behavioral Pattern for Demultiplexing and Dispatching Handles for Synchronous Events

http://www.dre.vanderbilt.edu/~schmidt/PDF/reactor-siemens.pdf