2023-05-09 11:09:59來源：三分惡
大家好，我是老三，上一節(jié)我們討論了Linux的五種IO模型，接下來，我們從Java語言層面，來看看對IO的實現(xiàn)。
在Java中，一共有三種IO模型，分別是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO(NIO)和異步IO(AIO)。
(相關(guān)資料圖)
Linux五種IO模型和Java三種IO模型
Java BIOJava BIO就是Java的傳統(tǒng)IO模型，對應了操作系統(tǒng)IO模型里的阻塞IO。
Java BIO相關(guān)的實現(xiàn)都位于java.io包下，其通信原理是客戶端、服務端之間通過Socket套接字建立管道連接，然后從管道中獲取對應的輸入/輸出流，最后利用輸入/輸出流對象實現(xiàn)發(fā)送/接收信息。
我們來看個Demo：
BioServer：
/** * @Author 三分惡 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO服務端 */public class BioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //定義一個ServerSocket服務端對象，并為其綁定端口號 ServerSocket server = new ServerSocket(8888); System.out.println("===========BIO服務端啟動================"); //對BIO來講，每個Socket都需要一個Thread while (true) { //監(jiān)聽客戶端Socket連接 Socket socket = server.accept(); new BioServerThread(socket).start(); } } /** * BIO Server線程 */ static class BioServerThread extends Thread{ //socket連接 private Socket socket; public BioServerThread(Socket socket){ this.socket=socket; } @Override public void run() { try { //從socket中獲取輸入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); //轉(zhuǎn)換為 BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream)); String msg; //從Buffer中讀取信息，如果讀取到信息則輸出 while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){ System.out.println("收到客戶端消息："+msg); } //從socket中獲取輸出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); PrintStream printStream=new PrintStream(outputStream); //通過輸出流對象向客戶端傳遞信息 printStream.println("你好，吊毛！"); //清空輸出流 printStream.flush(); //關(guān)閉socket socket.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }}/** * @Author 三分惡 * @Date 2023/4/30 * @Description BIO客戶端 */public class BioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { List names= Arrays.asList("帥哥","靚仔","坤坤"); //通過循環(huán)創(chuàng)建多個多個client for (String name:names){ //創(chuàng)建socket并根據(jù)IP地址與端口連接服務端 Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8888); System.out.println("===========BIO客戶端啟動================"); //從socket中獲取字節(jié)輸出流 OutputStream outputStream=socket.getOutputStream(); //通過輸出流向服務端傳遞信息 String hello="你好，"+name+"!"; outputStream.write(hello.getBytes()); //清空流，關(guān)閉socket輸出 outputStream.flush(); socket.shutdownOutput(); //從socket中獲取字節(jié)輸入流 InputStream inputStream=socket.getInputStream(); BufferedReader bufferedReader=new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream)); //讀取服務端消息 String msg; while((msg=bufferedReader.readLine())!=null){ System.out.println("收到服務端消息："+msg); } inputStream.close(); outputStream.close(); socket.close(); } }} ===========BIO服務端啟動================收到客戶端消息：你好，帥哥!收到客戶端消息：你好，靚仔!收到客戶端消息：你好，坤坤!===========BIO客戶端啟動================收到服務端消息：你好，吊毛！===========BIO客戶端啟動================收到服務端消息：你好，吊毛！===========BIO客戶端啟動================收到服務端消息：你好，吊毛！在上述Java-BIO的通信過程中，如果客戶端一直沒有發(fā)送消息過來，服務端則會一直等待下去，從而服務端陷入阻塞狀態(tài)。同理，由于客戶端也一直在等待服務端的消息，如果服務端一直未響應消息回來，客戶端也會陷入阻塞狀態(tài)。
在BioServer定義了一個類BioServerThread，繼承了Thread類，run方法里主要是通過socket和流來讀取客戶端的消息，以及發(fā)送消息給客戶端，每處理一個客戶端的Socket連接，就得新建一個線程。
同時，IO讀寫操作也是阻塞的，如果客戶端一直沒有發(fā)送消息過來，線程就會進入阻塞狀態(tài)，一直等待下去。
在BioClient里，循環(huán)創(chuàng)建Socket，向服務端收發(fā)消息，客戶端的讀寫也是阻塞的。
在這個Demo里就體現(xiàn)了BIO的兩個特點：
一個客戶端連接對應一個處理線程讀寫操作都是阻塞的Java BIO
毫無疑問，不管是創(chuàng)建太多線程，還是阻塞讀寫，都會浪費服務器的資源。
Java NIO那么我們就進入Java的下一種IO模型——Java NIO，它對應操作系統(tǒng)IO模型中的多路復用IO，底層采用了epoll實現(xiàn)。
Java-NIO則是JDK1.4中新引入的API，它在BIO功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了非阻塞式的特性，其所有實現(xiàn)都位于java.nio包下。NIO是一種基于通道、面向緩沖區(qū)的IO操作，相較BIO而言，它能夠更為高效的對數(shù)據(jù)進行讀寫操作，同時與原先的BIO使用方式也大有不同。
我們還是先來看個Demo：
NioServer/** * @Author 三分惡 * @Date 2023/4/30 * @Description NIO服務端 */public class NioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { //創(chuàng)建一個選擇器selector Selector selector= Selector.open(); //創(chuàng)建serverSocketChannel ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open(); //綁定端口 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888)); //必須得設(shè)置成非阻塞模式 serverSocketChannel.configureBlocking(false); //將channel注冊到selector并設(shè)置監(jiān)聽事件為ACCEPT serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("===========NIO服務端啟動============"); while(true){ //超時等待 if(selector.select(1000)==0){ System.out.println("===========NIO服務端超時等待============"); continue; } // 有客戶端請求被輪詢監(jiān)聽到，獲取返回的SelectionKey集合 Iterator iterator=selector.selectedKeys().iterator(); //迭代器遍歷SelectionKey集合 while (iterator.hasNext()){ SelectionKey key=iterator.next(); // 判斷是否為ACCEPT事件 if (key.isAcceptable()){ // 處理接收請求事件 SocketChannel socketChannel=((ServerSocketChannel) key.channel()).accept(); //非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 注冊到Selector并設(shè)置監(jiān)聽事件為READ socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024)); System.out.println("成功連接客戶端"); } //判斷是否為READ事件 if (key.isReadable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); try { // 獲取以前設(shè)置的附件對象，如果沒有則新建一個 ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); if (buffer == null) { buffer = ByteBuffer.allocate(1024); key.attach(buffer); } // 清空緩沖區(qū) buffer.clear(); // 將通道中的數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū) int len = socketChannel.read(buffer); if (len > 0) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println("收到客戶端消息：" + message); } else if (len < 0) { // 接收到-1，表示連接已關(guān)閉 key.cancel(); socketChannel.close(); continue; } // 注冊寫事件，下次向客戶端發(fā)送消息 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer); } catch (IOException e) { // 取消SelectionKey并關(guān)閉對應的SocketChannel key.cancel(); socketChannel.close(); } } //判斷是否為WRITE事件 if (key.isWritable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); //獲取buffer ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); String hello = "你好，坤坤！"; //清空buffer buffer.clear(); //buffer中寫入消息 buffer.put(hello.getBytes()); buffer.flip(); //向channel中寫入消息 socketChannel.write(buffer); buffer.clear(); System.out.println("向客戶端發(fā)送消息：" + hello); // 設(shè)置下次讀寫操作，向 Selector 進行注冊 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer); } // 移除本次處理的SelectionKey,防止重復處理 iterator.remove(); } } }} public class NioClient { public static void main(String[] args) throws IOException { // 創(chuàng)建SocketChannel并指定ip地址和端口號 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888)); System.out.println("==============NIO客戶端啟動================"); // 非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); String hello="你好，靚仔！"; ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(hello.getBytes()); // 向通道中寫入數(shù)據(jù) socketChannel.write(buffer); System.out.println("發(fā)送消息：" + hello); buffer.clear(); // 將channel注冊到Selector并監(jiān)聽READ事件 socketChannel.register(Selector.open(), SelectionKey.OP_READ, buffer); while (true) { // 讀取服務端數(shù)據(jù) if (socketChannel.read(buffer) > 0) { buffer.flip(); String msg = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()); System.out.println("收到服務端消息：" + msg); break; } } // 關(guān)閉輸入流 socketChannel.shutdownInput(); // 關(guān)閉SocketChannel連接 socketChannel.close(); }}===========NIO服務端啟動=======================NIO服務端超時等待=======================NIO服務端超時等待============成功連接客戶端收到客戶端消息：你好，靚仔！向客戶端發(fā)送消息：你好，坤坤！==============NIO客戶端啟動================發(fā)送消息：你好，靚仔！收到服務端消息：你好，坤坤！我們在這個案例里實現(xiàn)了一個比較簡單的Java NIO 客戶端服務端通信，里面有兩個小的點需要注意，注冊到選擇器上的通道都必須要為非阻塞模型，同時通過緩沖區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時，必須要調(diào)用flip()方法切換為讀取模式。
代碼流程示意圖
Java-NIO中有三個核心概念：**Buffer（緩沖區(qū)）、Channel（通道）、Selector（選擇器）**。
Java NIO
每個客戶端連連接本質(zhì)上對應著一個Channel通道，每個通道都有自己的Buffer緩沖區(qū)來進行讀寫，這些Channel被Selector選擇器管理調(diào)度Selector負責輪詢所有已注冊的Channel，監(jiān)聽到有事件發(fā)生，才提交給服務端線程處理，服務端線程不需要做任何阻塞等待，直接在Buffer里處理Channel事件的數(shù)據(jù)即可，處理完馬上結(jié)束，或返回線程池供其他客戶端事件繼續(xù)使用。通過Selector，服務端的一個Thread就可以處理多個客戶端的請求Buffer（緩沖區(qū)）就是飯店用來存放食材的儲藏室，當服務員點餐時，需要從儲藏室中取出食材進行制作。Channel（通道）是用于傳輸數(shù)據(jù)的車道，就像飯店里的上菜窗口，可以快速把點好的菜品送到客人的桌上。Selector（選擇器）就是大堂經(jīng)理，負責協(xié)調(diào)服務員、廚師和客人的配合和溝通，以保證整個就餐過程的效率和順暢。Java AIOJava-AIO也被成為NIO2，它是在NIO的基礎(chǔ)上，引入了新的異步通道的概念，并提供了異步文件通道和異步套接字的實現(xiàn)。
異步通道的實現(xiàn)體系
它們的主要區(qū)別就在于這個異步通道，見名知意：使用異步通道去進行IO操作時，所有操作都為異步非阻塞的，當調(diào)用read()/write()/accept()/connect()方法時，本質(zhì)上都會交由操作系統(tǒng)去完成，比如要接收一個客戶端的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)會先將通道中可讀的數(shù)據(jù)先傳入read()回調(diào)方法指定的緩沖區(qū)中，然后再主動通知Java程序去處理。
我們還是先來看個Demo：
AioServer/** * @Author 三分惡 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO服務端 */public class AioServer { public static void main(String[] args) throws Exception { // 創(chuàng)建異步通道組，處理IO事件 AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory()); //創(chuàng)建異步服務器Socket通道，并綁定端口 AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(8888)); System.out.println("=============AIO服務端啟動========="); // 異步等待接收客戶端連接 server.accept(null, new CompletionHandler() { // 創(chuàng)建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) { System.out.println("客戶端連接成功"); try { buffer.clear(); // 異步讀取客戶端發(fā)送的消息 channel.read(buffer, null, new CompletionHandler() { @Override public void completed(Integer len, Object attachment) { buffer.flip(); String message = new String(buffer.array(), 0, len); System.out.println("收到客戶端消息：" + message); // 異步發(fā)送消息給客戶端 channel.write(ByteBuffer.wrap(("你好，阿坤！").getBytes()), null, new CompletionHandler() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { // 關(guān)閉輸出流 try { channel.shutdownOutput(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { channel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 繼續(xù)異步等待接收客戶端連接 server.accept(null, this); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); // 繼續(xù)異步等待接收客戶端連接 server.accept(null, this); } }); // 等待所有連接都處理完畢 group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS); }} /** * @Author 三分惡 * @Date 2023/5/1 * @Description AIO客戶端 */public class AioClient { public static void main(String[] args) throws Exception { // 創(chuàng)建異步Socket通道 AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(); // 異步連接服務器 client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null, new CompletionHandler() { // 創(chuàng)建ByteBuffer final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(("你好，靚仔！").getBytes()); @Override public void completed(Void result, Object attachment) { // 異步發(fā)送消息給服務器 client.write(buffer, null, new CompletionHandler() { // 創(chuàng)建ByteBuffer final ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.clear(); // 異步讀取服務器發(fā)送的消息 client.read(readBuffer, null, new CompletionHandler() { @Override public void completed(Integer result, Object attachment) { readBuffer.flip(); String msg = new String(readBuffer.array(), 0, result); System.out.println("收到服務端消息：" + msg); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); try { client.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }); // 等待連接處理完畢 Thread.sleep(1000); // 關(guān)閉輸入流和Socket通道 client.shutdownInput(); client.close(); }} =============AIO服務端啟動=========客戶端連接成功收到客戶端消息：你好，靚仔！收到服務端消息：你好，阿坤！可以看到，所有的操作都是異步進行，通過completed接收異步回調(diào)，通過failed接收錯誤回調(diào)。
而且我們發(fā)現(xiàn)，相較于之前的NIO而言，AIO其中少了Selector選擇器這個核心組件，選擇器在NIO中充當了協(xié)調(diào)者的角色。
但在Java-AIO中，類似的角色直接由操作系統(tǒng)擔當，而且不是采用輪詢的方式監(jiān)聽IO事件，而是采用一種類似于“訂閱-通知”的模式。
Java AIO簡圖
在AIO中，所有創(chuàng)建的通道都會直接在OS上注冊監(jiān)聽，當出現(xiàn)IO請求時，會先由操作系統(tǒng)接收、準備、拷貝好數(shù)據(jù)，然后再通知監(jiān)聽對應通道的程序處理數(shù)據(jù)。
Java-AIO這種異步非阻塞式IO也是由操作系統(tǒng)進行支持的，在Windows系統(tǒng)中提供了一種異步IO技術(shù)：IOCP(I/O Completion Port，所以Windows下的Java-AIO則是依賴于這種機制實現(xiàn)。不過在Linux系統(tǒng)中由于沒有這種異步IO技術(shù)，所以Java-AIO在Linux環(huán)境中使用的還是epoll這種多路復用技術(shù)進行模擬實現(xiàn)的。
因為Linux的異步IO技術(shù)實際上不太成熟，所以Java-AIO的實際應用并不是太多，比如大名鼎鼎的網(wǎng)絡通信框架Netty就沒有采用Java-AIO，而是使用Java-NIO，在代碼層面，自行實現(xiàn)異步。
小結(jié)那么這期我們就快速過了一下Java的三種IO機制，它們的特點，我們直接看下圖：
Java三種IO模型
我們也發(fā)現(xiàn)，雖然Java-NIO、Java-AIO，在性能上比Java-BIO要強很多，但是可以看到，寫法上一個比一個難搞，不過好在基本也沒人直接用Java-NIO、Java-AIO，如果要進行網(wǎng)絡通信，一般都會采用Netty，它對原生的Java-NIO進行了封裝優(yōu)化，接下來，我們會繼續(xù)走近Netty，敬請期待。
參考：[1].《Netty權(quán)威指南》
[2].https://juejin.cn/post/7130952602350534693#heading-14
[3].https://www.jianshu.com/p/670033e5b916
關(guān)鍵詞：
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