BIO & NIO & AIO

目录

1 BIO

2 NIO

3 AIO

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1 BIO

BIO是同步阻塞模型，其核心是一个客户端连接对应一个处理线程。实现起来简单但是吞吐量低，而且客户端不做读写操作的话，服务端会被阻塞（可以做多线程处理）。

BIO的示例代码如下：

import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;
import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.*;

/**
 * 服务端示例
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:07
 **/
@Slf4j
public class BIOServer {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("demo-pool-%d").build();
        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 200, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(1024), namedThreadFactory);

        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            log.info("等待连接。。。");
            //阻塞方法
            Socket socket = serverSocket.accept();
            log.info("有客户端连接了。。。");
            pool.execute(() -> handler(socket));
        }
    }

    @SneakyThrows
    private static void handler(Socket socket) {
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
        }
        byte[] bytes = new byte[1024];

        log.info("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 = socket.getInputStream().read(bytes);
        log.info("read完毕。。。");
        if (read != -1) {
            if (log.isInfoEnabled()) {
                log.info("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
            }
            log.debug("thread id = " + Thread.currentThread().getId());
        }
        socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
    }
}

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.Socket;

/**
 * 客户端代码
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:08
 **/
@Slf4j
public class BIOClient {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        log.info("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);
        if (log.isInfoEnabled()) {
            log.info("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        }
        socket.close();
    }
}

---

2 NIO

NIO是同步非阻塞模型，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请求就交给后边的线程进行处理。Redis就是典型的NIO线程模型，selector收集所有连接的事件并且转交给后端线程，线程连续执行所有事件命令并将结果写回客户端。

NIO的示例代码如下：

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
 * 服务端代码
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:09
 **/
@Slf4j
public class NIOServer {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {

        //创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道.并设置为非阻塞方式
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        //必须配置为非阻塞才能往selector上注册，否则会报错，selector模式本身就是非阻塞模式
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        //创建一个选择器selector
        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
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            log.info("等待事件发生。。。");
            //轮询监听channel里的key，select是阻塞的，accept()也是阻塞的
            selector.select();
            log.info("有事件发生了。。。");
            //有客户端请求，被轮询监听到
            Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = it.next();
                //删除本次已处理的key，防止下次select重复处理
                it.remove();
                handle(key);
            }
        }
    }

    @SneakyThrows
    private static void handle(SelectionKey key) {
        if (key.isAcceptable()) {
            log.info("有客户端连接事件发生了。。。");
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //NIO非阻塞体现：此处accept方法是阻塞的，但是这里因为是发生了连接事件，所以这个方法会马上执行完，不会阻塞
            //处理完连接请求不会继续等待客户端的数据发送
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            sc.configureBlocking(false);
            //通过Selector监听Channel时对读事件感兴趣
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            log.info("有客户端数据可读事件发生了。。。");
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            //NIO非阻塞体现:首先read方法不会阻塞，其次这种事件响应模型，当调用到read方法时肯定是发生了客户端发送数据的事件
            int len = sc.read(buffer);
            if (len != -1) {
                if (log.isInfoEnabled()) {
                    log.info("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len));
                }
            }
            ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
            sc.write(bufferToWrite);
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        } else if (key.isWritable()) {
            key.channel();
            log.info("write事件");
            //NIO事件触发是水平触发
            //使用Java的NIO编程的时候，在没有数据可以往外写的时候要取消写事件，
            //在有数据往外写的时候再注册写事件
            key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }
}

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;

/**
 * 客户端代码
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:09
 **/
@Slf4j
public class NIOClient {

    /**
     * 通道管理器
     */
    private Selector selector;

    /**
     * 启动客户端测试
     */
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        NIOClient client = new NIOClient();
        client.initClient("127.0.0.1", 9000);
        client.connect();
    }

    /**
     * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作
     *
     * @param ip   连接的服务器的ip
     * @param port 连接的服务器的端口号
     */
    @SneakyThrows
    public void initClient(String ip, int port) {
        //获得一个Socket通道
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        //设置通道为非阻塞
        channel.configureBlocking(false);
        //获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        //客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调
        //用channel.finishConnect();才能完成连接
        channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
        //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
    }

    /**
     * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理
     */
    @SneakyThrows
    public void connect() {
        //轮询访问selector
        while (true) {
            selector.select();
            //获得selector中选中的项的迭代器
            Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                SelectionKey key = it.next();
                //删除已选的key,以防重复处理
                it.remove();
                //连接事件发生
                if (key.isConnectable()) {
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    //如果正在连接，则完成连接
                    if (channel.isConnectionPending()) {
                        channel.finishConnect();
                    }
                    //设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    //在这里可以给服务端发送信息哦
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes());
                    channel.write(buffer);
                    //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    //获得了可读的事件
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    read(key);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 处理读取服务端发来的信息 的事件
     *
     * @param key SelectionKey
     */
    @SneakyThrows
    public void read(SelectionKey key) {
        //和服务端的read方法一样
        //服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        //创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        int len = channel.read(buffer);
        if (len != -1) {
            if (log.isInfoEnabled()) {
                log.info("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
        }
    }
}

---

3 AIO

AIO是异步非阻塞模型，采用订阅-通知模式，由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理。

AIO的示例代码如下：

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

/**
 * 服务端代码
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:09
 **/
@Slf4j
public class AIOServer {

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

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

            @Override
            @SneakyThrows
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
                //在此接收客户端连接，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);
                log.debug(String.valueOf(socketChannel.getRemoteAddress()));
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {

                    @Override
                    public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                        buffer.flip();
                        log.info(new String(buffer.array(), 0, result));
                        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                    }

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

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

        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

/**
 * 客户端代码
 *
 * @author Robert Hou
 * @date 2020年05月01日 23:10
 **/
@Slf4j
public class AIOClient {

    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
            if (log.isInfoEnabled()) {
                log.info("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
            }
        }
    }
}