阻塞与同步
1、阻塞和非阻塞
阻塞和非阻塞是进程在访问数据的时候，数据是否准备就绪的一种处理方式，当数据没有准备的时候一直等待，直到有数据返回，否则一直等待在那里。
非阻塞：当我们的进程访问我们的数据缓冲区的时候，如果数据没有准备好则直接返回，不会等待。如果数据已经准备好，也直接返回。
如果用一个烧水例子解释这个问题：
阻塞：就相当于水壶放在放到火上，立等水开才能知道水是否开了。
非堵塞：就相当于把水壶放在火上，随时去看，都知道水开还是没开而不是要等到水开了，才能告知结论。如果采用这种方案就是，可以看电视时不时去看，水是否开了。（同步阻塞）
NIO同步非堵塞IO:
当此此线程中没有数据返回的时候，可以先处理其他线程的任务，不用卡在此线程一直等待数据返回。
2、同步(Synchronization)和异步(Async)的方式
同步和异步都是基于应用程序私操作系统处理IO事件所采用的方式，比如同步：是应用程序要直接参与IO读写的操作。异步：所有的IO读写交给搡作系统去处理，应用程序只需要等待通知。
如果用一个烧水例子解释这个问题：
同步：就相当于水壶放在放到火上，水开的时候并不会通知水开了，而需要一个线程去看水是否开了。
异步：当水开了，会通知我们水已经开了。
异步非阻塞IO：
获取数据的时候，无论是否有数据都立即返回，并且在内核在缓冲区里填入了数据之后自动调用内存拷贝。
BIO代码演示
BIO客户端：
public class BIOClient {
private static Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
public static void main(String[] args) throws Exception {
//开启一个8080端口的线程
Socket s = new Socket("localhost", 8080);
OutputStream out = s.getOutputStream();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String msg = scanner.nextLine();
out.write(msg.getBytes(charset));
scanner.close();
s.close();
}
}
BIO客户端：
bio由于Socket request = serverSocket.accept(); 获取连接和
InputStream inputStream = request.getInputStream(); 从连接获取流是阻塞的故，当有一个请求，只能创建一个线程去处理，线程一直阻塞利用率并不高。创建的线程过多导致服务器的新能下降明显。
public class BIOServer {
private static ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
public static void main(String[] args) throws Exception {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
System.out.println("服务器启动成功");
while (!serverSocket.isClosed()) {
//获取socket 连接数阻塞的
Socket request = serverSocket.accept();
System.out.println("收到新连接 : " + request.toString());
threadPool.execute(() -> {
try {
// 接收数据、打印（从连接中获取数据同样是阻塞的）
InputStream inputStream = request.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String msg;
while ((msg = reader.readLine()) != null) {
if (msg.length() == 0) {
break;
}
System.out.println(msg);
}
System.out.println("收到数据,来自："+ request.toString());
// 响应结果 200
OutputStream outputStream = request.getOutputStream();
outputStream.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
outputStream.write("Content-Length: 11\r\n\r\n".getBytes());
outputStream.write("Hello World".getBytes());
outputStream.flush();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
request.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
serverSocket.close();
}
}
产生结果：
NIO代码演示
1、缓冲区Buffer
缓冲区实际上是一个容器对象，可以看做一个功能增强的数组（有位置、固定容量、标记），在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。
容量（capacity）：
缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变
上界（limit）：
缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说，缓冲区中现存元素的计数
位置（position）：
下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新
标记（mark）：
下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新一个备忘位置。
2、通道Channel
通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。
3、选择器
SelectableChannel 可被注册到 Selector 对象上，同时可以指定对那个选择器而言，哪种操作是感兴趣的，当发生的事件和该事件所发生的具体的SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。一个通道可以被注册到多个选择器上，但对每个选择器而言，只能被注册一次，通道在被注册到一个选择器上之前，必须先设置为非阻塞模式，通过调用通道的configureBlocking(false)方法即可。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式，而套接字通道都可以。
在nio的代码写的过程中有很多需要注意的地方：
https://www.cnblogs.com/pingh/p/3224990.html
下面设置关于通过nio来演示客户端与服务端的传输
客户端
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
while (!socketChannel.finishConnect()) {
// 没连接上,则一直等待
Thread.yield();
}
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
// 发送内容
String msg = scanner.nextLine();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
// 读取响应
System.out.println("收到服务端响应:");
ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) {
// 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了)
if (requestBuffer.position() > 0){
break;
}
}
//nio 切换模式
requestBuffer.flip();
byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
requestBuffer.get(content);
System.out.println(new String(content));
scanner.close();
socketChannel.close();
}
}
服务端：
此处一个selector监听所有事件,演示
public class NIOServerV2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 创建网络服务端ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 2. 构建一个Selector选择器,并且将channel注册上去
Selector selector = Selector.open();
// 将serverSocketChannel注册到selector
SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, serverSocketChannel);
// 对serverSocketChannel上面的accept事件感兴趣(serverSocketChannel只能支持accept操作)
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 3. 绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
System.out.println("启动成功");
while (true) {
// 用下面轮询事件的方式.select方法有阻塞效果,直到有事件通知才会有返回
selector.select();
// 获取事件
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
// 遍历查询结果
Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
// 被封装的查询结果
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
// 关注 Read 和 Accept两个事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.attachment();
// 将拿到的客户端连接通道,注册到selector上面
SocketChannel clientSocketChannel = server.accept();
clientSocketChannel.configureBlocking(false);
clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, clientSocketChannel);
System.out.println("收到新连接 : " + clientSocketChannel.getRemoteAddress());
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.attachment();
try {
ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) {
// 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了)
if (requestBuffer.position() > 0) break;
}
// 如果没数据了, 则不继续后面的处理
if(requestBuffer.position() == 0) continue;
//切换模式
requestBuffer.flip();
byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
requestBuffer.get(content);
System.out.println(new String(content));
System.out.println("收到数据,来自：" + socketChannel.getRemoteAddress());
// 响应结果 200
String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"Hello World";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
} catch (IOException e) {
// e.printStackTrace();
// 取消事件订阅
key.cancel();
}
}
}
selector.selectNow();
}
}
}
运行结果：
NIO多路复用模型演示
一个selector监听所有事件,个线程处理所有请求事件，这里通过多路复用来展示这个过程，这也是netty采用的方式，只是则是netty的简化版本。
/**
* NIO selector 多路复用reactor线程模型
*/
public class NIOServerV3 {
abstract class EventLoop extends Thread {
Selector selector;
LinkedBlockingQueue<Runnable> taskQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
/**
* Selector监听到有事件后,调用这个方法
*/
public abstract void handler(SelectableChannel channel) throws Exception;
private EventLoop() throws IOException {
selector = Selector.open();
}
volatile boolean running = false;
@Override
public void run() {
// 轮询Selector事件
while (running) {
try {
// 执行队列中的任务
Runnable task;
while ((task = taskQueue.poll()) != null) {
task.run();
}
selector.select(1000);
// 获取查询结果
Set<SelectionKey> selected = selector.selectedKeys();
// 遍历查询结果
Iterator<SelectionKey> iter = selected.iterator();
while (iter.hasNext()) {
// 被封装的查询结果
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
int readyOps = key.readyOps();
// 关注 Read 和 Accept两个事件
if ((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps == 0) {
try {
SelectableChannel channel = (SelectableChannel) key.attachment();
channel.configureBlocking(false);
handler(channel);
if (!channel.isOpen()) {
key.cancel(); // 如果关闭了,就取消这个KEY的订阅
}
} catch (Exception ex) {
key.cancel(); // 如果有异常,就取消这个KEY的订阅
}
}
}
selector.selectNow();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private SelectionKey register(SelectableChannel channel) throws Exception {
FutureTask<SelectionKey> futureTask = new FutureTask<>(() -> channel.register(selector, 0, channel));
taskQueue.add(futureTask);
return futureTask.get();
}
private void doStart() {
if (!running) {
running = true;
start();
}
}
}
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
// 1、创建多个线程 - acceptor
private EventLoop[] bossThreads = new EventLoop[1];
// 2、创建多个线程 - io
private EventLoop[] workThreads = new EventLoop[1];
/**
* 初始化线程组
*/
private void newGroup() throws IOException {
// 创建Boss线程, 只负责处理serverSocketChannel
for (int i = 0; i < bossThreads.length; i++) {
bossThreads[i] = new EventLoop() {
AtomicInteger incr = new AtomicInteger(0);
@Override
public void handler(SelectableChannel channel) throws Exception {
// 只做请求分发，不做具体的数据读取
ServerSocketChannel ch = (ServerSocketChannel) channel;
SocketChannel socketChannel = ch.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
// 收到连接建立的通知之后，分发给work线程继续去读取数据
int index = incr.getAndIncrement() % workThreads.length;
EventLoop workEventLoop = workThreads[index];
workEventLoop.doStart();
SelectionKey selectionKey = workEventLoop.register(socketChannel);
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("收到新连接 : " + socketChannel.getRemoteAddress());
}
};
}
// 创建IO线程,负责处理客户端连接以后socketChannel的IO读写
for (int i = 0; i < workThreads.length; i++) {
workThreads[i] = new EventLoop() {
@Override
public void handler(SelectableChannel channel) throws IOException {
// work线程只负责处理IO处理，不处理accept事件
SocketChannel ch = (SocketChannel) channel;
ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (ch.isOpen() && ch.read(requestBuffer) != -1) {
// 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了)
if (requestBuffer.position() > 0){
break;
}
}
// 如果没数据了, 则不继续后面的处理
if (requestBuffer.position() == 0){
return;
}
requestBuffer.flip();
byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
requestBuffer.get(content);
System.out.println(new String(content));
System.out.println("收到数据,来自：" + ch.getRemoteAddress());
// 响应结果 200
String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"Hello World";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
while (buffer.hasRemaining()) {
ch.write(buffer);
}
}
};
}
}
/**
* 初始化channel,并且绑定一个eventLoop线程
*
* @throws IOException IO异常
*/
private void initAndRegister() throws Exception {
// 1、 创建ServerSocketChannel
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 2、 将serverSocketChannel注册到selector
int index = new Random().nextInt(bossThreads.length);
bossThreads[index].doStart();
SelectionKey selectionKey = bossThreads[index].register(serverSocketChannel);
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
}
/**
* 绑定端口
*
* @throws IOException IO异常
*/
private void bind() throws IOException {
// 1、 正式绑定端口，对外服务
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
System.out.println("启动完成，端口8080");
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
NIOServerV3 nioServerV3 = new NIOServerV3();
nioServerV3.newGroup();
nioServerV3.initAndRegister();
nioServerV3.bind();
int read = System.in.read();
System.out.println(read);
}
}