文章目录

IO基础模型

由 笔尖 发布

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

同步阻塞模型,一个客户端连接对应一个处理线程

image-20211207111257300

BIO服务端

public class SocketServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            handler(clientSocket);

            /*new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();*/
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据,阻塞方法,没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
            System.out.println("接收到客户端的数据:" + new String(bytes, 0, read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}

BIO客户端

public class SocketClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("接收到服务端的数据:" + new String(bytes));
        socket.close();
    }
}

缺点:

  • C10K问题,大量连接请求导致线程资源占用大。
  • 资源浪费问题,大部分IO线程都处于等待,少部分在收发数据。

适用场景:

使用简单,适用于连接少且固定的场景,服务器开销较大。

NIO

同步非阻塞,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。

适用场景:

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。

NIO服务端:

public class NioServer {

    // 保存客户端连接
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 非阻塞模式accept方法不会阻塞,否则会阻塞
            // 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 = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) { // 如果有客户端进行连接
                System.out.println("连接成功");
                // 设置SocketChannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 保存客户端连接在List中
                channelList.add(socketChannel);
            }
            // 遍历连接进行数据读取
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                // 非阻塞模式read方法不会阻塞,否则会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);
                // 如果有数据,把数据打印出来
                if (len > 0) {
                    System.out.println("接收到消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) { // 如果客户端断开,把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

解决了BIO模型的问题,但效率太低,每次会轮询所有IO线程。

引入selector的NIO服务端:

public class NioSelectorServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 打开Selector处理Channel,即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上,并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            // 遍历SelectionKey对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 如果是OP_ACCEPT事件,则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 这里只注册了读事件,如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) {  // 如果是OP_READ事件,则进行读取和打印
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据,把数据打印出来
                    if (len > 0) {
                        System.out.println("接收到消息:" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接,关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key,防止下次select重复处理
                iterator.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 Buffer 和 channel 都是既可以读也可以写

image-20211207112324858

NIO底层在JDK1.4版本是用linux的内核函数select()或poll()来实现,跟上面的NioServer代码类似,selector每次都会轮询所有的sockchannel看下哪个channel有读写事件,有的话就处理,没有就继续遍历,JDK1.5开始引入了epoll基于事件响应机制来优化NIO。

总结:NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket,获取到Socket的文件描述符,再创建一个Selector对象,对应操作系统的Epoll描述符,将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的Epoll文件描述符上,进行事件的异步通知,这样就实现了使用一条线程,并且不需要太多的无效的遍历,将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断程序实现),大大提高了效率。

selectpollepoll(jdk 1.5及以上)
操作方式 遍历遍历回调
底层实现数组链表哈希表
IO效率每次调用都进行线性遍历,时间复杂度为O(n)每次调用都进行线性遍历,时间复杂度为O(n)事件通知方式,每当有IO事件就绪,系统注册的回调函数就会被调用,时间复杂度O(1)
最大连接有上限无上限无上限

Redis线程模型:

Redis就是典型的基于epoll的NIO线程模型(nginx也是),epoll实例收集所有事件(连接与读写事件),由一个服务端线程连续处理所有事件命令。

AIO

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。

AIO服务端

public class AIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                try {
                    System.out.println("2--"+Thread.currentThread().getName());
                    // 再此接收客户端连接,如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("1--"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

为什么Netty使用NIO而不是AIO?

目前Linux的AIO底层优化不够完善,基于AIO的IO模型效率提升不明显,Netty基于NIO模型开发,封装了一些异步通信的特性。


暂无评论

发表评论