Java網(wǎng)絡(luò)IO模型詳解(BIO、NIO、AIO)
更新時間：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)較少的場景,NIO是同步非阻塞模型,適用于處理多個連接,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景,文中通過代碼介紹的非常詳細,需要的朋友可以參考下
簡介
Java 支持三種網(wǎng)絡(luò) IO 模型：BIO、NIO、AIO。
- Java BIO 是同步阻塞模型，一個連接對應(yīng)一個線程，客戶端有連接請求時服務(wù)端就啟動一個線程，即使這個連接不做任何事情也會占用線程資源。
- Java NIO 是同步非阻塞模型，一個線程可以處理多個連接，客戶端連接請求會注冊到多路復(fù)用器(Selector)，多路復(fù)用器檢測到連接有 IO 時間就會處理。
- Java AIO 是異步非阻塞模型，AIO 引入了異步通道的概念，讀寫異步通道會立刻返回，讀寫的數(shù)據(jù)由 Future 或 CompletionHandler 進一步處理。
BIO 適用于連接數(shù)少的場景，程序編寫比較簡單，對服務(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)多的場景，例如聊天服務(wù)器、服務(wù)器間通訊等，程序編寫比較復(fù)雜，JDK1.4開始支持。AIO 也適用于連接數(shù)多的場景，但更加偏向于異步操作多的場景。
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();
// 接收到一個客戶端連接 放入線程池進行處理
pool.execute(() -> process(socket));
}
}
static void process(Socket socket) {
try {
byte[] bytes = new byte[1024];
// 通過 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) {
// 沒有數(shù)據(jù)的時候這里會阻塞等待
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，可以用一個線程處理多個請求。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)讀寫事件時無需阻塞，可以繼續(xù)做其他事情，這就大大增強了服務(wù)器的并發(fā)處理能力。
模型示例
Selector 對應(yīng)一個線程，一個 Selector 可以對應(yīng)多個 Channel，一個 Channel 對應(yīng)一個 Buffer。程序切換到哪個 Channel 是由事件決定的，Selector 會根據(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");
//獲取對應(yīng)的通道
FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
/**
* 參數(shù) 1:FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的讀寫模式
* 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?。ú皇撬饕恢茫磳?1.txt 的多少個字節(jié)映射到內(nèi)存
* 可以直接修改的范圍就是 0-5
* 實際類型 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現(xiàn)細節(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)聽到 accept
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = listenChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
// 將該 sc 注冊到 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(專門寫方法..)
readData(key);
}
// 當前的 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這里不會阻塞 因為事件觸發(fā)時必然已經(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),專門寫一個方法來處理
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
}
} catch (IOException e) {
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + "離線了..");
// 取消注冊
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...");
// 遍歷所有注冊到 selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for (SelectionKey key : selector.keys()) {
// 通過 key 取出對應(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 存儲到 buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
// 將 buffer 的數(shù)據(jù)寫入通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建服務(wù)器對象
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，AIO 只是在非阻塞的前提下增加了異步功能，具體則體現(xiàn)在代碼編寫以及數(shù)據(jù)傳輸兩個層面。
- 從代碼編寫角度來說，原來的同步方法會阻塞等待接口返回，而現(xiàn)在可以異步等待返回結(jié)果。
- 從數(shù)據(jù)傳輸角度來說，每個請求都需要傳輸數(shù)據(jù)，NIO 雖然是非阻塞的，但是事件到達后，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，事件到達后系統(tǒng)不會立刻通知服務(wù)端線程，而是會自己把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，完成這個操作后，才會通知服務(wù)端線程去處理。
AIO 的使用場景還是比較少，現(xiàn)在大部分開源框架中應(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「來了事件操作系統(tǒng)通知應(yīng)用進程，讓應(yīng)用進程來處理」，而Proactor 可以理解為「來了事件操作系統(tǒng)來處理，處理完再通知應(yīng)用進程」。
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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