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Java網(wǎng)絡(luò)IO模型詳解(BIO、NIO、AIO)

 更新時(shí)間:2024年10月09日 08:46:28   作者:沈小洋  
Java支持BIO、NIO和AIO三種網(wǎng)絡(luò)IO模型,BIO是同步阻塞模型,適用于連接數(shù)較少的場(chǎng)景,NIO是同步非阻塞模型,適用于處理多個(gè)連接,支持自JDK1.4起,AIO是異步非阻塞模型,適用于異步操作多的場(chǎng)景,文中通過(guò)代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

簡(jiǎn)介

Java 支持三種網(wǎng)絡(luò) IO 模型:BIO、NIO、AIO。

  • Java BIO 是同步阻塞模型,一個(gè)連接對(duì)應(yīng)一個(gè)線程,客戶端有連接請(qǐng)求時(shí)服務(wù)端就啟動(dòng)一個(gè)線程,即使這個(gè)連接不做任何事情也會(huì)占用線程資源。
  • Java NIO 是同步非阻塞模型,一個(gè)線程可以處理多個(gè)連接,客戶端連接請(qǐng)求會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器(Selector),多路復(fù)用器檢測(cè)到連接有 IO 時(shí)間就會(huì)處理。
  • Java AIO 是異步非阻塞模型,AIO 引入了異步通道的概念,讀寫(xiě)異步通道會(huì)立刻返回,讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)由 Future 或 CompletionHandler 進(jìn)一步處理。

BIO 適用于連接數(shù)少的場(chǎng)景,程序編寫(xiě)比較簡(jiǎn)單,對(duì)服務(wù)器的資源要求比較高,JDK1.4之前的唯一選擇。NIO 適用于連接數(shù)多的場(chǎng)景,例如聊天服務(wù)器、服務(wù)器間通訊等,程序編寫(xiě)比較復(fù)雜,JDK1.4開(kāi)始支持。AIO 也適用于連接數(shù)多的場(chǎng)景,但更加偏向于異步操作多的場(chǎng)景。

Java BIO

模型示例

客戶端代碼示例

import java.io.*;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;

public class BIOClient {
    public static void main(String[] args) {
        new BIOClient().start("localhost", 6666);
    }

    public void start(String host, int port) {
        // 初始化 socket
        Socket socket = new Socket();

        try {
            // 設(shè)置 socket 連接
            SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
            socket.setSoTimeout(5000);
            socket.connect(remote);

            // 發(fā)送數(shù)據(jù)
            PrintWriter writer = getWriter(socket);
            writer.write("hello server");
            writer.flush();

//            // 發(fā)起請(qǐng)求
//            PrintWriter writer = getWriter(socket);
//            writer.write(compositeRequest(host));
//            writer.flush();
//
//            // 讀取響應(yīng)
//            String msg;
//            BufferedReader reader = getReader(socket);
//            while ((msg = reader.readLine()) != null) {
//                System.out.println(msg);
//            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
    }

    private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        return new PrintWriter(new OutputStreamWriter(out));
    }

    private String compositeRequest(String host) {
        return "GET / HTTP/1.1\r\n" +
                "Host: " + host + "\r\n" +
                "User-Agent: curl/7.43.0\r\n" +
                "Accept: */*\r\n\r\n";
    }
}

服務(wù)端代碼示例

import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創(chuàng)建一個(gè)線程池
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        // 創(chuàng)建 ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        while (true) {
            // 等待客戶端連接
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            // 接收到一個(gè)客戶端連接 放入線程池進(jìn)行處理
            pool.execute(() -> process(socket));
        }
    }

    static void process(Socket socket) {
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024];
            // 通過(guò) socket 獲取輸入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            // 循環(huán)讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)
            while (true) {
                // 沒(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)候這里會(huì)阻塞等待
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read == -1) break;
                // 輸出客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)
                System.out.println(new String(bytes, 0, read));
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Java NIO

NIO 采用 Reactor 模式,屬于 IO 多路復(fù)用模型,可以用一個(gè)線程處理多個(gè)請(qǐng)求。NIO 有三大核心模塊,通道(Channel)、緩沖區(qū)(Buffer)、選擇器(Selector)。NIO 的非阻塞模式,使主線程在未發(fā)生數(shù)據(jù)讀寫(xiě)事件時(shí)無(wú)需阻塞,可以繼續(xù)做其他事情,這就大大增強(qiáng)了服務(wù)器的并發(fā)處理能力。

模型示例

Selector 對(duì)應(yīng)一個(gè)線程,一個(gè) Selector 可以對(duì)應(yīng)多個(gè) Channel,一個(gè) Channel 對(duì)應(yīng)一個(gè) Buffer。程序切換到哪個(gè) Channel 是由事件決定的,Selector 會(huì)根據(jù)不同的事件切換不同的 Channel。下圖描述了 Channel、Buffer 和 Selector 的關(guān)系。

MappedByteBuffer 簡(jiǎn)介

NIO 提供的 MappedByteBuffer 支持支持在內(nèi)存(堆外內(nèi)存)中修改文件,可以減少一次數(shù)據(jù)拷貝。文件同步的部分,由 NIO 自己完成。

代碼示例

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * 說(shuō)明 1.MappedByteBuffer 可讓文件直接在內(nèi)存(堆外內(nèi)存)修改,操作系統(tǒng)不需要拷貝一次
 */
public class MappedByteBufferTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
        //獲取對(duì)應(yīng)的通道
        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();

        /**
         * 參數(shù) 1:FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的讀寫(xiě)模式
         * 參數(shù) 2:0:可以直接修改的起始位置
         * 參數(shù) 3:5: 是映射到內(nèi)存的大小(不是索引位置),即將 1.txt 的多少個(gè)字節(jié)映射到內(nèi)存
         * 可以直接修改的范圍就是 0-5
         * 實(shí)際類(lèi)型 DirectByteBuffer
         */
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
        mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9');
        mappedByteBuffer.put(5, (byte) 'Y');//IndexOutOfBoundsException

        randomAccessFile.close();
        System.out.println("修改成功~~");
    }
}

 NIO 編程代碼原理分析圖

關(guān)于 NIO 非阻塞網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel 和 SocketChannel)關(guān)系梳理圖

服務(wù)端代碼示例

可以結(jié)合上面的原理圖觀察代碼實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;

public class GroupChatServer {

    // 定義屬性
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel listenChannel;

    private static final int PORT = 6667;

    // 構(gòu)造器執(zhí)行初始化工作
    public GroupChatServer() {
        try {
            // 得到選擇器
            selector = Selector.open();
            // 監(jiān)聽(tīng)端口的主線程
            listenChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 綁定端口
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            // 設(shè)置非阻塞模式
            listenChannel.configureBlocking(false);
            // 將該 listenChannel 注冊(cè)到 selector
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void listen() {
        try {
            // 循環(huán)處理
            while (true) {
                int count = selector.select();
                // 有事件處理
                if (count > 0) {
                    // 遍歷得到 selectionKey 集合
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        // 取出 selectionKey
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        // 監(jiān)聽(tīng)到 accept
                        if (key.isAcceptable()) {
                            SocketChannel sc = listenChannel.accept();
                            sc.configureBlocking(false);
                            // 將該 sc 注冊(cè)到 selector
                            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                            // 提示
                            System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上線 ");
                        }
                        if (key.isReadable()) {// 通道發(fā)送read事件,即通道是可讀的狀態(tài)
                            // 處理讀(專(zhuān)門(mén)寫(xiě)方法..)
                            readData(key);
                        }
                        // 當(dāng)前的 key 刪除,防止重復(fù)處理
                        iterator.remove();
                    }
                } else {
                    System.out.println("等待....");
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 發(fā)生異常處理....
        }
    }

    // 讀取客戶端消息
    public void readData(SelectionKey key) {
        SocketChannel channel = null;
        try {
            // 得到 channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            // 創(chuàng)建 buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int count = channel.read(buffer);// NIO這里不會(huì)阻塞 因?yàn)槭录|發(fā)時(shí)必然已經(jīng)有數(shù)據(jù)了 所以叫非阻塞IO
            // 根據(jù) count 的值做處理
            if (count > 0) {
                // 把緩存區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成字符串
                String msg = new String(buffer.array());
                // 輸出該消息
                System.out.println("form客戶端:" + msg);
                // 向其它的客戶端轉(zhuǎn)發(fā)消息(去掉自己),專(zhuān)門(mén)寫(xiě)一個(gè)方法來(lái)處理
                sendInfoToOtherClients(msg, channel);
            }
        } catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + "離線了..");
                // 取消注冊(cè)
                key.cancel();
                // 關(guān)閉通道
                channel.close();
            } catch (IOException e2) {
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    // 轉(zhuǎn)發(fā)消息給其它客戶(通道)
    private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self) throws IOException {
        System.out.println("服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)消息中...");
        // 遍歷所有注冊(cè)到 selector 上的 SocketChannel,并排除 self
        for (SelectionKey key : selector.keys()) {
            // 通過(guò) key 取出對(duì)應(yīng)的 SocketChannel
            Channel targetChannel = key.channel();
            // 排除自己
            if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
                // 轉(zhuǎn)型
                SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
                // 將 msg 存儲(chǔ)到 buffer
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
                // 將 buffer 的數(shù)據(jù)寫(xiě)入通道
                dest.write(buffer);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象
        GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
        groupChatServer.listen();
    }
}

Java AIO

AIO 是異步非阻塞的,引入了異步通道的概念,采用 Proactor 模式,操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)拷貝操作后才會(huì)通知服務(wù)端線程。AIO 本質(zhì)上還是 IO 多路復(fù)用模型,與 NIO 比起來(lái),AIO 只是在非阻塞的前提下增加了異步功能,具體則體現(xiàn)在代碼編寫(xiě)以及數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)層面。

  • 從代碼編寫(xiě)角度來(lái)說(shuō),原來(lái)的同步方法會(huì)阻塞等待接口返回,而現(xiàn)在可以異步等待返回結(jié)果。
  • 從數(shù)據(jù)傳輸角度來(lái)說(shuō),每個(gè)請(qǐng)求都需要傳輸數(shù)據(jù),NIO 雖然是非阻塞的,但是事件到達(dá)后,NIO 需要自己把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間。AIO 引入異步邏輯后,事件到達(dá)后系統(tǒng)不會(huì)立刻通知服務(wù)端線程,而是會(huì)自己把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間,完成這個(gè)操作后,才會(huì)通知服務(wù)端線程去處理。

AIO 的使用場(chǎng)景還是比較少,現(xiàn)在大部分開(kāi)源框架中應(yīng)該還是以使用 NIO 為主,AIO 在性能方面的提升還是比較有限,主要的變化還是增加了異步功能。

如何理解 Reactor 和 Proactor 的區(qū)別?

Reactor 可以理解為「來(lái)了事件操作系統(tǒng)通知應(yīng)用進(jìn)程,讓?xiě)?yīng)用進(jìn)程來(lái)處理」,而Proactor 可以理解為「來(lái)了事件操作系統(tǒng)來(lái)處理,處理完再通知應(yīng)用進(jìn)程」。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于Java網(wǎng)絡(luò)IO模型(BIO、NIO、AIO)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java網(wǎng)絡(luò)BIO、NIO、AIO內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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